Здравствуйте, дорогие слушатели! Сегодня мы рассмотрим с вами модуль "Ядерные силы. Модели ядра. Энергия связи ядер. Ядерная энергия". Сегодняшний модуль очень важен для того, чтобы вы уверенно слушали последующие модули. Сегодня мы познакомимся с историей освоения ядерной энергии, рассмотрим различные модели атомного ядра и способы использования ядерной энергии. На данном слайде приведены основные вехи изучения ядерной энергии. Давайте вспомним их. 1895 год – год открытия рентгеновского излучения. Автор открытия немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген. История очень интересна, связана с тем, что человек, изучая модные в то время катодные лучи, вдруг обнаружил, что вокруг трубки существует какое-то излучение, которое может засвечивать фотопластинки, и которое не связано с катодными лучами. Вот это и есть настоящее физическое чутье, когда человек, изучая что-то новое, что-то обнаруживает и начинает детально изучать какое-то новое явление. Целый месяц Рентген, находясь один в комнате, знал, что существует, какое-то новое излучение, которое возникает при торможении электронов во время их движения в разряженных газах. На самом деле этот факт, когда мы его просто так говорим, звучит банально: излучает и излучает... появляется какое-то излучение. Но за этот месяц, фактически работая в одиночку, он сделал очень важное открытие, что это неизвестное излучение имеет большую пропускную способность, оно проходит не только через стекло, но и ткани живых организмов. Практически сразу после опубликования его работ стали создаваться рентгеновские аппараты, позволяющие просматривать кости живых людей. Это открытие спасло очень много жизней, потому что многие переломы можно было не только прощупывать, но и видеть перед глазами рентгеновские снимки, определять последовательность действий хирурга при правильном вправлении либо восстановлении кости. Это пример, когда научное открытие стало практически сразу применяться. Сегодня (прошло где-то 120 лет после открытия Рентгена) мы имеем рентгеновские аппараты практически во всех клиниках, во всех поликлиниках, потому что это очень важный аппарат, позволяющий существенно повысить качество лечения, и не смотря на то, что рентгеновское излучение опасно, мы его активно используем. В нашем мире до 30% дозы, которую получает человек в нашем мире, связано с медицинскими исследованиями. И чем качественней живет страна, чем лучше живут ее люди, тем больше доля этого излучения. Следующий год – 1896 год – принес еще одно очень важное открытие – открытие радиоактивности. Французский физик Антуан Беккерель открывает излучение солей урана. Об этом открытии написано много историй в книгах, но важно то, что он, изучив это открытие, поставил задачу своей аспирантке Марии Склодовской-Кюри выделить элементы из солей урана, которые являются источниками этих лучей. Супруги, которые работали рядом с ним, открывают полоний и радий, и это закладывает фундамент современной радиохимии. В 1899 году происходит открытие электрона. Джозеф Джон Томсон открывает электрон. Причем, это открытие он публикует после анализа различных экспериментальных данных, после того, как все эксперименты позволили ему сделать вывод, что существуют маленькие частички, которые несут заряд, который равен 1,6 на 10 в –19 Кулон. С тех пор этот элементарный заряд вошел во все учебники. Он обозначается буквой е, является мировой константой. Заряд электрона имеет отрицательную величину. Точно такой же заряд, но положительный, имеет протон, входящий в состав ядра. В 1900 году Макс Планк – немецкий физик, всю жизнь работающий на кафедре общей физики, задался вопросом: почему излучение твердых тел идет не так, как предписано законом, которым классическая физика пыталась его объяснить? И он сделал предположение, которое позволило ему объяснить экспериментальные факты. Но что самое интересное – в это предположение сам он до конца так и не поверил. Он предположил, что энергия излучается не непрерывно, а в виде отдельных квантов. Он предложил для расчета энергии кванта очень элегантную формулу, являющуюся одной из формул 20го века, которую необходимо помнить, и с которой связана революция в физике. Формула очень простая: энергия кванта пропорциональна частоте света; а h – ничто иное, как мировая константа, которая приблизительно равна 6,63 на 10 в –34 джоуль в секунду. И эта константа получила название "постоянная Планка" в честь Макса Планка, который выдвинул эту гипотезу и фактически сделал один из первых шагов к созданию новой физики. В 1905 году – Альберт Эйнштейн публикует 3 работы, каждая из которых могла бы обессмертить его имя. В рамках теории относительности в одной из этих работ он предлагает формулу, впоследствии вошедшую во все учебники как бренд современной физики. Эту формулу вы все знаете, и сегодня она будет многократно использоваться. Формула Эйнштейна показывает, что в любой массе заключена очень большая энергия, которую можно вычислить с помощью простого умножения массы на скорость света в квадрате. Скорость света в то время была уже хорошо изучена и измерена. Сейчас можно использовать для оценок число 3 на 10 в 8 м/с, но впоследствии мы увидим, что люди узнали значение этой скорости с очень большой точностью, потому что фактически на нее опираются многие эталоны, которые используются в физике. Так вот, в 1905 году для физики были сделаны важные шаги в сторону оценивания ядерной энергии, но пока люди еще не знали, где она заключена, как устроен атом, как устроено атомное ядро. Поэтому исследования продолжались. В 1911 году Эрнест Резерфорд, используя различные эксперименты, предлагает планетарную модель атома. Это тоже интересная история, потому что, когда он предложил свою гипотезу, заключающуюся в том, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг вращаются отрицательно заряженные электроны, многие физики посчитали, что он безграмотен. Оказывается, электрон, движущийся по окружности, неизбежно должен излучать электромагнитные волны. И это излучение должно забирать энергию электрона. А раз энергия электрона уменьшается, то со временем он неизбежно должен упасть на ядро. Время жизни атома Резерфорда по классическим представлениям должно быть существенно меньше одной секунды, но вокруг нас все вещества не распадаются, и поэтому, с точки зрения классической физики, атом Резерфорда был невозможен. На спасение этой гипотезе, этой модели, пришел молодой Нильс Бор, который в 1913 году сформулировал то, что фактически стало основой квантовой механики. Бор сформулировал правила, которые постулировали, что да, есть ядро, да электроны вращаются вокруг него и при этом они не излучают; а излучают электроны только в том случае, если переходят с одной орбиты на другую, причем количество этих орбит ограничено. И он предложил правило, позволяющее оценивать энергию перехода с одной орбиты на другую. Вот эта модель атома Резерфорда – Бора впоследствии вошла во все учебники, вокруг нее стали делаться оценки, и мы получили модель, которая сделала очень много предсказаний. В частности, она не просто предсказывала, она попадала в экспериментальные данные и смогла объяснить (или с помощью нее удачно можно было вычислить) энергию ионизации различных атомов. В 1919 году в лаборатории Эрнеста Резерфорда, анализируя экспериментальные данные, была написана статья, которая фактически постулировала открытие протона. Было показано, что в результате различных ядерных реакций, можно сделать вывод, что протон входит в состав атомных ядер и является элементарной частичкой. Еще через 13 лет в 1932 году в той же лаборатории ученик Резерфорда Джеймс Чедвик открывает нейтрон. И именно в этом году очень многие вопросы разрешаются, все встает на свои места. Люди начинают понимать, что ядро состоит из нейтронов и протонов, появляется возможность, используя формулу Альберта Эйнштейна, оценивать энергию связи атомных ядер и оценивать энергию, которая может выделяться как в ядерных распадах, так и в ядерных реакциях. Обо всем этом мы будем с вами говорить, и хотелось бы, чтобы после наших лекций у вас не осталось вопросов о том, что такое энергия связи.
