Состав ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра.

После открытия в 1932г. нейтрона в результате обстрела бериллия ядрами гелия, называемыми α-частицами,

Д.Д. Иваненко высказал гипотезу о том, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. На сегодня гипотеза подтверждена экспериментами и является общепризнанной.

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами. Число протонов N в атомном ядре определяет его заряд и равно атомному номеру Z элемента, называемому зарядовым числом, N = Z. Сумма протонов N_р и нейтронов N_n в ядре равна массовому числу атома, то есть целому числу А, ближайшему к относительной атомной массе данного элемента, указанной в таблице Менделеева:

Тогда число нейтронов в атомном ядре элемента равно разности между массовым и зарядовым числами N_n = A - Z.

Масса покоя нейтрона близка к массе покоя протона и в 1838,65 раз больше массы покоя электрона m_е— 9,109534·10^-31кг. Допускается использование внесистемной единицы измерения массы — атомной единицы массы 1 а.е.м. = 1,6·10^-27кг.

Ядра химических элементов обозначают символами соответствующих элементов, указывая вверху и внизу соответственно массовое А и зарядовое Z числа — .

Вещество внутри атомных ядер распределено неравномерно. Центр ядра упакован нуклонами плотно. По мере увеличения расстояния от центра плотность ядерного вещества постепенно уменьшается до нуля. Следовательно, ядра атомов, как и их электронные оболочки, не имеют четких границ.

Сложное строение атомного ядра объясняет существование изотопов. Изотопы обнаружены у большинства химических элементов. Они могут быть устойчивыми и нестабильными — самопроизвольно распадающимися. Известно около 300 стабильных и 800 неустойчивых изотопов. Все изотопы конкретного химического элемента обладают одинаковыми химическими свойствами и поэтому располагаются в одной клеточке периодической системы элементов Д.И. Менделеева и отличаются числом нейтронов в ядре. Процентное содержание изотопов для химических элементов, свободно встречающихся в природе, неодинаково. Например, уран, получаемый из естественных руд, состоит из трех изотопов с массовыми числами 238 (99,7%), 235 (0,27 %) и 233 (0,03 %). В периодической системе элементов указана относительная атомная масса элементов, представляющая собой среднее значение массовых чисел всех изотопов, взятых в процентном отношении, соответствующем их распространению в природе. Вот почему атомные массы химических элементов отличаются от целых массовых чисел.

Определенный интерес представляют изотопы водорода с массовыми числами, равными соответственно А = 1 — протий, А = 2 — дейтерий. Дейтерий стабилен и присутствует в качестве примеси (1:4500) к обычному водороду. Соединение дейтерия с кислородом называют тяжелой водой, D₂O. Ее содержание в обычной воде составляет 1/6300. При атмосферном давлении тяжелая вода кипит при 104,2 °С и замерзает при 3,8 °С; А = 3 — тритий. Их ядра называют соответственно протон , дейтрон , тритон .

Линейные размеры атомных ядер находятся в пределах 3 • 10^-15—10^{-14 м. Объем и масса ядра прямо пропорциональны числу нуклонов. Средняя плотность ядерного вещества достигает значения 145 • 1015} кг/м³. Ввиду высокой плотности правомерно предположить, что нуклоны плотно упакованы в ядре, а положительно заряженные протоны испытывают огромные силы взаимного отталкивания. Однако устойчивость ядер убеждает нас в том, что между компонентами ядра существуют некоторые ядерные силы притяжения. Изучение свойств ядер различных химических элементов позволило дать количественную оценку ядерных сил. Они оказались примерно в 150 раз больше электромагнитных и в 10³⁸ раз больше гравитационных. Кстати, ядро атома оказывается настолько устойчивой организацией, что только нагревание его до 20 млрд Кельвина приводит к расширению ядра на 50% от первоначального объема. В связи с этим происходит потеря ядерных сил, и ядро разлетается на куски. Существует ряд теорий ядерных сил. Наибольшим признанием пользуется мезонная теория, основные положения которой сформулированы в 1935г. японским физиком X. Юкава. Согласно этой теории, взаимодействие между нуклонами возникает в процессе непрерывного обмена квантами ядерного поля, обладающими массой покоя в интервале (200—300)m_e. Кванты ядерного поля экспериментально были открыты в космическом излучении в 1947г. и названы π-мезонами. В настоящее время π-мезоны генерируются ускорителями высоких энергий.

По мезонной теории ядерных сил считается, что нуклоны окружены облаком л-мезонов. Наличие этого облака вокруг нуклонов объясняет как свойства ядерных сил, так и свойства самих нуклонов. Существование π-мезонов в ядре не следует рассматривать как самостоятельное, так как испускание и поглощение их происходит в течении 10^-23 с. Такие мезоны практически не наблюдаются и поэтому называются виртуальными. Процесс взаимодействия между нуклонами состоит во взаимном обмене виртуальными π-мезонами. Однако мезонная теория ядерных сил хорошо описывает взаимодействие пары нуклонов. Расчет взаимодействия многих ну­лонов по этой теории вызывает математические трудности. Для преодоления их пользуются различными приближенными моделями ядра, основными из которых являются капельная и оболочечная.

Подводя итоги, можно утверждать, что окончательной теории внутриядерных взаимодействий нет, но тем не менее ряд качественных и количественных характеристик ядерных сил изучен и получены следующие выводы:

1. Ядерные силы нельзя представить в виде сил, действующих из единого центра.

2. Ядерные силы являются короткодействующими и на расстояниях более 1 Фм=10^-15м практически равны нулю.

3. Ядерные взаимодействия между любой парой нуклонов: п-п, р-р и п-р обладают зарядовой независимостью, то есть они одинаковы, при допущении, что кулоновское взаимодействие между протонами отсутствует. Иными словами, ядерные силы не могут быть сведены к кулоновским, электромагнитным, магнитным и гравитационным. Это особый вид сил.

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы не возрастают в отличие от нарастающих сил электрического отталкивания между протонами. Именно уменьшением разности ядерных и электрических сил объясняется неустойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное число протонов — более 82.

5. Ядерные силы зависят от ориентации спинов нуклонов. Взаимодействие между двумя протонами и двумя нейтронами оказывается сильнее, если их спины антипараллельны. Это обусловлено взаимной компенсацией спинов нуклонов внутри ядра — малым результирующим спином атомных ядер. Взаимодействие же между протоном и нейтроном сильнее, когда их спины параллельны.

Современные методы позволяют с достаточной степенью точности измерить массу покоя отдельных нуклонов и массу атома, а следовательно, и ядра. Измерения показали, что масса ядра меньше суммы масс разобщенных нуклонов, составляющих ядро, m_я< (Zm_p+ Nm_n). Разность

называют дефектом массы. Здесь m_я, m_p, m_п — массы покоя ядра, протона и нейтрона; Z — число протонов в ядре; N — A- Z — число нейтронов в ядре. Поскольку в справочной литературе приведены массы атомов, то предыдущую формулу целесообразно представить в виде

Уменьшение массы при образовании ядра обусловлено тем, что ядро как квантовая система может существовать устойчиво длительное время лишь при минимуме энергии. Однако при объединении свободных нуклонов в ядро масса не исчезает, а переходит в форму поля и выделяется с излучением. Последнее не противоречит нашим представлениям о мире, так как связь между массой и энергией установлена А. Эйнштейном в виде Е = mс², Дж. И, следовательно, законы сохранения массы и энергии при переходе свободных нуклонов в ядро и наоборот выполняются при учете энергии как ядра, так и излучения. При наличии дефекта массы ядра формулу А. Эйнштейна можно записать следующим образом:

Энергию излучения принято называть энергией связи ядра. Она равна энергии, которая необходима для расщепления ядра на отдельные протоны и нейтроны и удаления их друг от друга на расстояния, при которых они не взаимодействуют. Нуклонам при этом не сообщается кинетическая энергия. Энергия связи определяет прочность ядра. Об энергии связи можно говорить и при образовании ядра из отдельных нуклонов. Таким образом, дефект массы ядра обусловлен тем, что при объединении свободных нуклонов в ядро или при делении ядра выделяется энергия связи. Энергия связи, что вполне понятно, зависит от числа нуклонов, входящих в ядро. Более тяжелые ядра оказываются менее прочными, чем ядра элементов в середине периодической таблицы Д.И. Менделеева.

Существует два варианта получения энергии при ядерных реакциях:

1. При делении тяжелых ядер на осколки, массовые числа которых соответствуют средней части таблицы Д.И. Менделеева;

2. При синтезе (слиянии) легких ядер. В обоих случаях удельная энергия связи продуктов реакции будет больше, чем у исходных ядер, и, следовательно, такие реакции должны идти с выделением энергии.

Дата добавления: 2015-07-20