Физика атомного ядра. Дефект масс и энергия связи ядра. Ядерное взаимодействие

Физика атомного ядра

Заряд. Размер и состав ядра. Дефект масс и энергия связи ядра. Ядерное взаимодействие. Радиоактивные -, - и - распады. Особенности -распада. Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике. Закон радиоактивного распада.  Ядерные реакции. Реакции деления ядра. Ядерная энергетика. Реакции синтеза атомных ядер. Термоядерные реакции.

Первая информация о ядре была получена в 1911 году в опытах Резерфорда по рассеянию -частиц. Было доказано существование ядра, определен его размер , тогда как размеры атома составляли по оценкам

Ядро простейшего атома, атома водорода, состоит из одной частицы – протона. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов частиц – протонов и нейтронов. Эти частицы получили название нуклонов. Массы нуклонов несколько отличаются: масса нейтрона , масса протона . Заряд протона . Нейтрон не имеет электрического заряда. Нуклоны, как и электроны, имеют полуцелый спин, поэтому они относятся к фермионам.

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом .

Количество протонов в ядре определяет зарядовое число . Зарядовое число совпадет с порядковым номером элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Количество нейтронов есть разность .

Для обозначения ядра некоторого элемента  применяют символическую запись . Например, -частица – это ядро атома гелия , состоящего из двух протонов и двух нейтронов.

Поскольку атом состоит из ядра и электронов, причем является нейтральным (количество электронов равно количеству протонов), а химические свойства атомов зависят от электронной конфигурации, то зарядовое число , равное числу электронов, определяет химические свойства элементов.

Ядра с одинаковым зарядовым числом  и разными массовыми числами  называются изотопами. Например,   – изотопы кислорода. – изотопы водорода. Изотопы отличаются количеством нейтронов.

Ядра с одинаковым массовым числом  и различными зарядовыми числами  называются изобарами. Например,  и  или  и   .

Размер ядра характеризуют условным радиусом ядра. Он составляет

,

где константа . Соответственно, объем ядра

.

Из этих соотношений можно определить плотность ядра. Предполагая, что ядра имеют сферическую форму, имеем

.

Если принять приближенно массу ядра , а , то получим,

, огромную плотность, которая одинакова для всех ядер.

Масса стабильных ядер всегда меньше суммы масс входящих в него нуклонов, потому что в противном случае ядро бы самопроизвольно распадалось на составляющие его нуклоны. При объединении нуклонов в ядро выделяется энергия, и для разделения ядра на составляющие его нуклоны необходимо такое же количество энергии, называемой энергией связи ядра.

Разность суммарной массы свободных нуклонов  и массы ядра  называется дефектом массы ядра:

.

Соотношение не нарушится, если сделать следующую замену:

  – масса атома водорода,

 – масса атома некоторого элемента.

Тогда дефект массы ядра можно найти из выражения

.

Мы знаем, что энергия частицы связана с массой . Энергия связи ядра равна разности суммарной энергии свободных нуклонов  и энергии ядра :

.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи нуклонов в ядре:

.

Чем больше удельная энергия связи, тем стабильнее ядро.

Максимум удельной энергии связи приходится на ядра с массовым числом . Для массовых чисел  удельная энергия связи лежит в диапазоне .

Для того чтобы удержать нуклоны в ядре, компенсируя кулоновское отталкивание протонов, необходимо действие особых сил – ядерных сил, которые не действуют между обычными телами в окружающем нас мире.

Перечислим основные свойства ядерных сил.

1.  Ядерные силы – это силы притяжения.

2.  Ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус действия имеет порядок .

3.  Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, то есть не зависят от заряда нуклонов. Они одинаковы для систем, состоящих из двух протонов или двух нейтронов, или протона и нейтрона.

4.  Ядерные силы обладают свойством насыщения. Нуклон в ядре взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только с ближайшими. Практически полное насыщение достигается у -частиц .

5.  Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов.

6.  Ядерные силы не являются центральными.

С увеличением массового числа растет число протонов и, следовательно, возрастают силы кулоновского отталкивания. В связи с этим для стабильности ядер с большим массовым числом