Вскоре  после этого открытия Гейзенберг и Иваненко выдвинули гипотезу о  том, что атомное ядро состоит  из нейтронов и протонов. На этом постулате базируется современный взгляд на строение атома.

     Протоны и нейтроны называются, одним словом нуклоны. Протоны – это элементарные частицы, которые являются, например, ядрами атомов легчайшего элемента – водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон имеет положительный электрический заряд.

     В ядре нуклоны связаны силами особого  рода – ядерными. Одна из характерных их особенностей – короткодействие: на расстояниях порядка и меньше они превышают любые другие силы, вследствие чего нуклоны не разлетаются под действием электростатического отталкивания одноименно заряженных протонов. При больших расстояниях ядерные силы очень быстро уменьшаются до нуля.

     9.3. Дефект массы и энергия связи ядра. Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада

     Масса ядра определяется массой входящих в  его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит  из Z протонов и N = A – Z нейтронов, где A – массовое число (число нуклонов в ядре), то на первый взгляд масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса ядра всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы Δm.

     Энергия – одна из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике её роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохранения энергии позволяет делать достаточно точные расчёты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными.

     Разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что  выделилась в процессе его образования. Это и есть энергия связи ядра Есв. С энергией связи непосредственно связано происхождение дефекта массы. В соответствии с формулой Эйнштейна:  Е_СВ = Δmc², Дж, уменьшение энергии системы при образовании ядра на какую-то величину должно неизбежно приводить к уменьшению общей массы.

     В общем виде формулу для определения  дефекта массы Δm можно представить так: Δm = Z ∙ m_P + (A – Z)m_n – m_Я,

     где A – массовое число, Z – число протонов, (A – Z) – число нейтронов, m_Я – масса ядра, m_Р и m_n – массы протона и нейтрона.

     У каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя-тремя соседними нуклонами, то остальные связи оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях.

     Наиболее  прочными являются ядра со средними массовыми  числами. В лёгких ядрах все или  почти все нуклоны лежат вблизи на поверхности ядра, и поэтому не в полной мере используют свои возможности взаимодействия, что несколько уменьшает удельную энергию связи. С ростом массового числа увеличивается доля нуклонов, лежащих в глубине ядра, которые свои возможности могут использовать полностью, поэтому значение удельной энергии связи постоянно увеличивается. При дальнейшем увеличении массового числа начинает всё сильнее сказываться взаимное отталкивание протонов, которое стремится разорвать ядро и поэтому уменьшает удельную энергию связи. Это приводит к тому, что все тяжёлые ядра оказываются нестабильными.

     Радиоактивность – способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием микрочастиц.

     К радиоактивным превращениям относятся: альфа-распад, все виды бета-распада, спонтанное деление ядер и др. Существует естественная и искусственная радиоактивность. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется закону радиоактивного распада:

     где N₀   - количество ядер в начальный момент отсчёта (t = 0),

     N    - число еще не распавшихся ядер в момент времени t,

       λ    - постоянная радиоактивного  распада. 

     Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называют периодом полураспада T:      T = ℓn2/λ = 0,693/λ

     9.4. Ядерные и термоядерные  реакции

     Реакция деления ядер была открыта в 1938 – 1939 годах (Ферми, Ган, Штрассман, Жолио-Кюри). Было доказано, что ядро урана при  столкновении с нейтроном делится  на два осколка.

     Особенности этой реакции: а) деление тяжёлого ядра сопровождается освобождением большой энергии (около 200МэВ) на каждое разделившееся ядро; б) при расщеплении ядер выделяются вторичные нейтроны (от одного до трёх на каждый акт деления). Наличие вторичных нейтронов при условии, что вещество имеет массу больше критической, может привести к цепной реакции деления.

     Термоядерные  реакции – это реакции синтеза ядер, происходящие при высоких температурах. Они играют огромную роль в жизни Вселенной, являясь основным источником энергии звёзд. Большой интерес представляет и возможность реализации управляемых термоядерных реакций, поскольку из всех известных науке превращений веществ, происходящих с выделением энергии, эти реакции дают максимум энергии, отнесённой к единице массы. В качестве «горючего» для таких реакций может быть использован целый ряд веществ (дейтерий, тритий и др.)

     В принципе уже сегодня энергию  термоядерного синтеза можно  получить на Земле. Нагреть вещество до звёздных температур можно, используя  энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба, где взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву. Но это неуправляемый процесс.

     Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем её затрачивается на нагрев вещества.

     Для осуществления термоядерной реакции наиболее выгодна температура около 100 млн. градусов. Что касается времени удержания энергии, т. е. качества изоляции, то в данном случае условие следующее: плазма с плотностью 10¹⁴  ионов в 1 см³ должна заметно остывать не быстрее, чем за 1 секунду.

     Удержание плазмы от попадания на теплоизолирующие стенки осуществляется при помощи магнитных  полей, направляющих поток частиц по спирали, замкнутой в кольцо. Так  как плазма состоит из ионов и  электронов, магнитное поле имеет  на неё прямое влияние.

     Для нагрева можно использовать ток, протекающий по плазменному «шнуру». Есть и другие способы нагрева  – высокочастотными электромагнитными  волнами, пучками быстрых частиц, световыми пучками, генерируемыми  лазерами.

     Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно разогреть плазму до требуемой температуры. Последние разработки позволяют это делать за столь короткое время, что вещество успевает вступить в реакцию синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказывается ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета, это их собственная инерция. Данное направление – инерционный термоядерный синтез – усиленно развивается в последнее время.

     9.5. Воздействие излучения  на человека. Радиационно-биологические процессы

     В природе все радиоактивные процессы сопровождаются α-, β- и гамма –  излучением. Гамма - фотоны и рентгеновские  фотоны взаимодействуют с веществом, в результате чего в облучаемой среде  возникает большое число быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации атомов вещества. Энергия, поглощения при этом средой, определяет радиационный эффект. Как известно, ионизация – это процесс разделения электрически нейтрального атома на электрон и положительный ион.

     Облучение, означает, по сути, взаимодействие излучения со средой. С точки зрения радиационного эффекта наиболее важной частью  излучения является «ионизирующее излучение» - излучение, энергия которого достаточна для ионизации  облучаемой среды.

     Для количественной характеристики радиационного  эффекта введем следующие понятия  и термины.

     Экспозиционная  доза излучения – количественная характеристика ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении. Единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р). 1Р=2,58×10^-2 Кл/кг.

     Поскольку известна энергия, необходимая для  ионизации воздуха экспозиционную дозу можно выразить через поглощенную              1Р=0,88×10^-3 Дж/кг.  

     Поглощенная доза – количество энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицей дозы является рад. 1 рад = 10^-2 Дж/кг. В СИ новой единицей поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр = 100 рад.

     Для мягких тканей в поле рентгеновского и гамма – излучения поглощенная доза в 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе в 1 Р (точно 1Р=0,88 рад=0,88×10^-3 Гр).

     Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем  больше радиационный эффект. Доза, которая вызывает гибель 50% людей через 30 суток после облучения равна 3 Гр (примерно 300 Р).

     При лечении рака гамма – излучение  направляется на опухоль, в которую  предварительно вводятся специальные  вещества – сенсибилизаторы, усиливающие  радиационный эффект.

     10. Развитие химических  концепций

     10.1. Эволюция химических  знаний

     Первое  научное определение химического  элемента сделал Бойль, положивший начало химическому анализу, основанному  на экспериментальном методе.

     Когда Ломоносов сформулировал закон сохранения энергии, завершился период превращения химии в науку.

     В начале XIX века Дальтон заложил основы химической атомистики. Авогадро ввел понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества.

     Бутлеров  создал и обосновал теорию химического строения вещества. Менделеев открыл периодический закон химических элементов.

     С конца XX века важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов. Управление химическими процессами – одна из главных проблем современной химии. На стыке химии и других отраслей естествознания возникли, например, биохимия, агрохимия, геохимия.

     В последние десятилетия благодаря  открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, появилась  реальная возможность проводить  экспериментальные химические исследования на молекулярном уровне.

     10.2. Основные понятия  химии

     Одним из важнейших разделов современного естествознания является химия –  наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях.

     Превращение одних веществ в другие принято называть химическими реакциями, например, горение водорода в атмосфере кислорода, в результате которого получается вода.

     Химическим  элементом называют совокупность атомов, характеризуемым одним и тем же зарядом ядра, и, следовательно, одинаковым числом электронов в атомной оболочке. Атомы одного и того же элемента, имеющие разную массу (массовое число) являются изотопами, у них одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

     Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного элемента, называются простыми (например, кислород O₂), если молекулы состоят из атомов разных элементов, связанных между собой постоянными соотношениями, то они являются сложными веществами или химическими соединениями (например, вода H₂O). Вещества, состоящие из нескольких соединений, не связанных между собой постоянными соотношениями называют смесью или раствором. Пример: морская вода – смесь воды и растворенных в ней солей.