Ядерные силы. Энергия связи ядер.

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Они заметно проявляются лишь на расстояниях порядка размеров ядра.

Основные свойства ядерных сил:

1) являются силами притяжения;

2) являются короткодействующими, т.е. действие ядерных сил проявляется только тогда, когда расстояние между двумя нуклонами ≈ 10^-15м;

3) обладают зарядовой независимостью, т.е. ядерные силы двух нуклонов не зависят от их электрических зарядов;

4) имеют способность к насыщению, т.е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;

5) зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов (пример, протон и нейтрон образуют дейтрон только при параллельной ориентации их спинов);

6) не являются центральными силами, т.е. их нельзя представить в виде сил, действующих от одного центра сил.

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.

Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные частицы, называется энергией связи ядра. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

E _св = Δ mc ² = (Zm _p + (A-Z) m _n – m _я) c ².

Разность масс Δ m = Zm _p + Nm _n – m _я называется дефектом массы. На эту величину уменьшается масса нуклонов при образовании из них атомного ядра.

Пример. Рассчитаем в качестве примера энергию связи ядра гелия , в состав которого входят два протона и два нейтрона. Масса ядра гелия m _я = 4,00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 2 m _p + 2 m _n = 4, 03298 а. е. м. Следовательно, дефект массы ядра гелия равен Δ m = 0,03038 а. е. м. Расчет по формуле E _св = Δ mc ² (с²=931,5 МэВ/а.е.м.) приводит к следующему значению энергии связи ядра : E _св = 28,3 МэВ.

Это огромная величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 10¹² Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля. Энергия связи ядра на много порядков превышает энергию связи электронов с атомом.

Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

ε_св =

Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер: чем больше ε_св, тем устойчивее ядро и зависит от массового числа химического элемента. (Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра элементов средней части таблицы Менделеева). Это означает, что существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более тяжелы е. В обоих этих процессах выделяется огромное количество энергии. В настоящее время оба процесса осуществлены практически: реакции деления и термоядерные реакции. (Следует обратить внимание на то, что синтез легких ядер сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон по сравнению с делением тяжелых ядер).

Модели ядра.

В теории ядра используется модельный подход, основанный на аналогии свойств атомных ядер со свойствами, например, жидкой капли, электронной оболочки атома и т.д.: соответственно модели ядер называют капельной, оболочечной и т.д. Каждая из моделей описывает только определенную совокупность свойств ядра и не может дать его полного описания.

Капельная модель (Н.Бор, Я.И. Френкель, 1936) базируется на аналогии в поведении нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. В обоих случаях силы являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Капельная модель объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакций деления ядер, но не смогла объяснить повышенную устойчивость некоторых ядер.

Согласно оболочечной модели, нуклоны в ядре распределены по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, а устойчивость ядер связывается с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми, их называют магическими – это ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонов или нейтронов. Существуют также и дважды магические ядра, в которых магическим является как число протонов, так и число нейтронов – это , и они являются особенно устойчивыми. Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер и периодичность их свойств.

По мере накопления экспериментальных данных возникли: обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и т.д.

Дата добавления: 2015-12-08