Строение ядра. 
Ядерная медицина. 
Радионуклидная диагностика

Большая часть массы атома сосредоточена в его ядре. Радиус ядра можно оценить из формулы.

где г₀ — константа, равная 1,2 фм.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре ядерными силами (сильное взаимодействие). Эти силы в отличие от электромагнитных и гравитационных сил действуют на очень коротких расстояниях порядка нескольких фм и на этих расстояниях на много порядков превосходят по величине две первых силы. Энергия связи нуклона в ядре Е^в зависит от Л и составляет ~ 8 МэВ. Эту энергию можно рассчитать на основании соотношения между массой и энергией из уравнения.

где М — масса ядра в единицах атомной массы и; т_рс² — энергия массы покоя протона; т_пс² — энергия массы покоя нейтрона.

Ядерные реакции

Важнейшим инструментом исследования в ядерной физике являются эксперименты по облучению (бомбардированию) мишени, состоящей из ядер выбранного нуклида А, определенной частицей а. Налетающая частица («снаряд») инициирует один из трех возможных видов взаимодействия: а) упругое рассеяние, в результате которого у налетающей частицы а изменяется направление движения и кинетическая энергия, ядро нуклида А получает импульс отдачи, а суммарная кинетическая энергия системы «мишень — снаряд» сохраняется постоянной; б) неупругое рассеяние, при котором налетающая частица входит в ядро, а затем она (или такая же) испускается ядром, но уже с меньшей энергией и в другом направлении; в) ядерная реакция, в результате которой частица а входит в ядро Л, ядро Л трансформируется в ядро В и испускается частица другого типа Ь. Во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения ряда физических величин, в частности, заряда, массы-энергии, момента количества движения и др.

Ядерные реакции принято обозначать следующим образом:

/

Некоторые ядерные реакции становятся возможными, если кинетическая энергия налетающей частицы а превышает определенное пороговое значение. Пороговую энергию ядерной реакции можно рассчитать, используя релятивистские законы сохранения энергии и момента, по формуле.

где т_А, т_а т_в и т_ь — массы покоя мишени А, налетающей частицы а и продуктов реакции В и Ь.

Точной законченной теории ядерных реакций, базирующейся на ядерных силах, пока не существует даже для простых ситуаций. Взамен для лучшего понимания экспериментальных данных и в предсказательных целях используются приближенные теории, основанные на упрощенных моделях.

Ранние трактовки феномена ядерных реакций рассматривали рассеяние падающей частицы на ядре, как целое по аналогии с рассеянием и ослаблением света кристаллическими шариками. Эта модель в настоящее время называется «оптической моделью». В ней процесс ядерной реакции представляется как взаимодействие частицы с потенциальной ямой. Она стала полезной при расчете результатов упругого рассеяния и полной вероятности реакции, но потерпела неудачу в объяснении процессов перехода из возбужденного в невозбужденное состояние и выхода продуктов реакции.

Первой моделью, оказавшейся полезной для трактовки реакций с образованием радионуклидов, явилась модель составного ядра (компаунд-ядра), предложенная Бором в 1936 г. На входе в ядро падающая частица поглощается, распределяя случайным образом в ядре свою кинетическую энергию и энергию связи, и становится неразличимой от других нуклонов. Результирующее компаунд-ядро переходит в возбужденное состояние и нуклоны быстро обмениваются энергиями в результате большого количества столкновений внутри ядра. В силу статистических флуктуаций достаточно высокая энергия может оказаться сконцентрированной на каком-либо нуклоне или небольшом кластере нуклонов, что приведет их к испусканию из ядра. Так как маловероятно, что полная энергия возбуждения будет сконцентрирована на одном нуклоне, то возможна последовательная эмиссия из ядра нескольких частиц (протоны, нейтроны, дейтроны, альфа-частицы), каждая из которых несет долю от полной энергии возбуждения. Этот процесс похож на процесс отрыва молекул от поверхности жидкости, поэтому получил название испарения нуклонов. Модель составного ядра рассматривает ядерную реакцию как два независимых шага: захват бомбардирующей частицы и последующее нуклонное испарение.

Специальным видом девозбуждения составного ядра в области высоких атомных номеров является деление ядра. Спонтанному разделению тяжелого ядра на два более легких заряженных фрагмента препятствует кулоновский барьер, поэтому оно имеет место только для некоторых наиболее тяжелых ядер и идет с малой вероятностью. При делении, индуцированном внешней частицей, бомбардирующая частица вносит достаточно энергии для преодоления кулоновского барьера. Особо важное значение имеет реакция деления ²³⁵U при поглощении теплового нейтрона. В этом случае выделяется 195 МэВ энергии на один акт деления и происходит эмиссия нескольких нейтронов. Интерес для ЯМ и РД представляют легкие фрагменты, образующиеся в результате деления, и особенно «Мо, ¹³¹1 и ¹³³Хе.

Некоторые процессы ядерных реакций не описываются сценарием составного ядра и попадают в категорию прямых взаимодействий. В этом случае налетающая частица сталкивается только с одной частицей или небольшим количеством частиц ядра, которые тут же вырываются из ядра без процесса передачи энергии другим нуклонам ядра. Важность этих реакций возрастает с увеличением энергии бомбардирующих частиц выше 40 МэВ. При начальной энергии налетающей частицы выше 100 МэВ прямое взаимодействие может привести к испусканию нуклона с такой высокой энергией, что он, в свою очередь, способен вызвать реакцию прямого взаимодействия. Таким образом, становится возможным большое количество последовательных нуклоннуклонных столкновений. Некоторые из этих нуклонов вылетают из ядра, другие испытывают дополнительные столкновения в ядре. Внутриядерный каскад развивается очень быстро (~ lO²² с) и приводит ядро к общему возбужденному состоянию, при выходе из которого ядро может потерять еще больше нуклонов за счет испарения. Сумма этих взаимодействий называется процессом «расщепления ядра». Для РД данный процесс интересен с точки зрения получения р/н ¹²⁷Хе и ⁸⁸Y.