Строение атомного ядра. Ядерные силы

В 1919 году Резерфорд открыл протон при бомбардировке ядра атома азота α-частицами.

Это была первая ядерная реакция, проведённая человеком. Превращение одних атомных ядер в другие при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом называют ядерной реакцией.

Протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Количество протонов в ядре равно массовому числу, а электроны компенсируют до зарядового числа заряд ядра. Свойства протона:

 или   – символ протона.

В ядро входят только протоны и нейтроны. Общее их количество равно массовому числу ядра, а количество протонов равно зарядовому числу. Нейтрон был открыт в 1932 г. Д. Чедвиком при облучении бериллия α-частицами. Нейтрон - элементарная частица, не имеющая заряда. Свободный нейтрон, который находится вне атомного ядра, живёт 15 минут. Потом он превращается в протон, испуская электрон и нейтрино – безмассовую нейтральную частицу.

Свойства нейтрона:

 – символ нейтрона

В 1932 году советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Справедливость этой гипотезы была доказана экспериментально. Согласно этой модели ядра состоят из протонов и нейтронов. Так как атом не имеет заряда, т.е. электрически нейтрален, число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Значит, число протонов в ядре равно порядковому номеру химического элемента Z в периодической таблице Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А:

Радиус ядра находится по формуле:

Позднее оказалось, что протон и нейтрон являются двумя состояниями частицы – нуклона (N). Были открыты реакции превращения нейтрона в протон и протона в нейтрон:

где : – позитрон.

Изотопы – разновидность данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер, т. е. числом нейтронов.

Устойчивость ядер зависит от отношения числа нейтронов к числу протонов.

Ядерные силы – это силы притяжения между нуклонами в ядре. Это самые мощные силы в природе, их ещё называют «богатырь с короткими рукавами». Они относятся к сильным взаимодействиям.

Свойства ядерных сил:

1) это силы притяжения;

2) примерно в 100 раз больше кулоновских сил;

3) зарядовая независимость;

4) короткодействующие, проявляются на расстояниях порядка 10^-12 -10^-13 см;

5) взаимодействуют с конечным числом нуклонов.

Масса любого атомного ядра всегда меньше, чем масса составляющих его частиц:

Ядерные изобары – разные элементы с одинаковым количеством нуклонов.

Между протонами в ядре существуют особые сильные взаимодействия на расстояниях примерно 10-15 метра. Между нуклонами, составляющими ядро, взаимодействия одинаковы. И это взаимодействие осуществляется пионами. Радиус действия: rπ~ 1,41*10-15м = 1,41 Ф.

Плотность ядерного вещества: ρя~1017 кг/м3.

Эффективный размер атомных ядер: R=a*.

Существуют магические числа: 2, 8, 20, 28, 50 82 и 126. Если число протонов или нейтронов, или и того и того вместе соответствует какому-нибудь магическому числу, то это ядро является устойчивым образованием. Если не соответствует, то ядро является неустойчивым и возможен его распад.

Дефект масс - разность масс нуклонов, составляющих ядро, и массы ядра:

Энергия связи – это минимальная энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные частицы:

Удельная энергия связи – это полная энергия связи ядра, деленная на число нуклонов:

Два способа получения ядерной энергии:

• Синтез легких ядер (осуществляется на Солнце).

• Деление тяжелых ядер.

Атомная единица массы

Массы атомов и элементарных частиц чрезвычайно малы, и измерять их в килограммах неудобно. Поэтому в атомной и ядерной физике часто применяется куда более мелкая единица — так называемая атомная единица массы (сокращённо а. е. м.).

По определению, атомная единица массы есть 1/12 массы атома углерода 12C. Вот её значение с точностью до пяти знаков после запятой в стандартной записи:

1 а. е. м. = 1,66054 · 10−27 кг = 1,66054 · 10−24 г.

(Такая точность нам впоследствии понадобится для вычисления одной очень важной величины, постоянно применяющейся в расчётах энергии ядер и ядерных реакций.)

Оказывается, что 1 а. е. м., выраженная в граммах, численно равна величине, обратной к постоянной Авогадро NA = 6,02214 · 1023 моль−1:

1 NA=16,02214 · 1023 = 1,66054 · 10−24 моль.

Почему так получается? Вспомним, что число Авогадро есть число атомов в 12 г углерода.

Кроме того, масса mC атома углерода равна 12 а. е. м. Отсюда имеем:

12 г = NAmC = NA · 12 а. е. м.,поэтому NA · 1 а. е. м. = 1 г, что и требовалось.

Как вы помните, любое тело массы m обладает энергией покоя E, которая выражается формулой Эйнштейна: E = mc2.

Выясним, какая энергия заключена в одной атомной единице массы. Нам надо будет провести вычисления с достаточно высокой точностью, поэтому берём скорость света с пятью

знаками после запятой:

c = 2,99792 · 108 м/с

Итак, для массы m1 = 1 а. е. м. имеем соответствующую энергию покоя E1:

E1 = m1c² = 1,66054 · 10−27· 2,997922· 1016 = 1,49241 · 10−10 Дж.

В случае малых частиц пользоваться джоулями неудобно — по той же причине, что и килограммами. Существует гораздо более мелкая единица измерения энергии — электронвольт (сокращённо эВ).

По определению, 1 эВ есть энергия, приобретаемая электроном при прохождении ускоряющей разности потенциалов 1 вольт:

1 эВ = eV = 1,60218 · 10−19 Кл · 1В = 1,60218 · 10−19 Дж.

(вы помните, что в задачах достаточно использовать величину элементарного заряда в виде e = 1,6 · 10−19 Кл, но здесь нам нужны более точные вычисления).

И вот теперь, наконец, мы готовы вычислить обещанную выше очень важную величину — энергетический эквивалент атомной единицы массы, выраженный в МэВ. :

E1 =1,49241 · 10−101,60218 · 10−19 = 0,93149 · 109эВ = 931,5 МэВ.

Итак, запоминаем: энергия покоя одной а. е. м. равна 931,5 МэВ. Этот факт вам неоднократно встретится при решении задач.

В дальнейшем нам понадобятся массы и энергии покоя протона, нейтрона и электрона.

Приведём их с точностью, достаточной для решения задач.

mp = 1,00728 а. е. м., Ep = 938,3 МэВ;

mn = 1,00867 а. е. м., En = 939,6 МэВ;

me = 5,486 · 10−4 а. е. м., Ee = 0,511 МэВ

Насыщение ядерных сил

Тот факт, что второй фактор доминирует у тяжёлых ядер, говорит об одной интересной особенности ядерных сил: они обладают свойством насыщения. Это означает, что каждый нуклон

в большом ядре связан ядерными силами не со всеми остальными нуклонами, а лишь с небольшим числом своих соседей, и число это не зависит от размеров ядра.

Действительно, если бы такого насыщения не было, удельная энергия связи продолжала бы

возрастать с увеличением A — ведь тогда каждый нуклон скреплялся бы ядерными силами со

всё большим числом нуклонов ядра, так что первый фактор неизменно доминировал бы над

вторым. У кулоновских сил отталкивания не было бы никаких шансов переломить ситуацию в

свою пользу!