Лекция № 10 Элементы физики атомного ядра
1. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число.
2. Дефект массы и энергия связи ядра.
3. Спин ядра и его магнитный момент.
4. Ядерные силы. Модели ядра.
5. Радиоактивное излучение. Закон радиоактивного распада.
1. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число
Резерфорд, исследуя
прохождение
- частиц через тонкие пленки золота,
пришел к выводу, что атом состоит из
положительно заряженного ядра и
окружающих его электронов. Атомные ядра
имеют размеры примерно
(размер атома порядка
).
Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком Иваненко и далее развита Гейзенбергом).
Протон (р) имеет
положительный заряд, равный заряду
электрона е и массу покоя
.
Нейтрон (n)
– нейтральная частица с массой покоя
.
Протоны и нейтроны называются нуклонами
(от лат. - ядро). Общее число нуклонов в
атомном ядре называется массовым
числом А.
Атомное ядро
характеризуется зарядом
,
где
,
Z
– зарядовое число ядра, равное числу
(р) в ядре и совпадающее с порядковым
номером химического элемента в системе
Менделеева.
Ядро обозначается
тем же символом, что и нейтральный атом
:
где А – массовое число; Z
– атомный номер элемента.
Т.к. атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме, т.е. определяет специфику данного химического элемента.
Ядра с одинаковыми
Z,
но разными А (т.е. с разными числами
нейтронов
)
называется изотопами,
а ядра с одинаковыми А, но разными Z
– изобарами.
Радиус ядра задается эмпирической формулой
,
где
.
Отсюда вытекает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех
ядер и равна
приблизительно
.
2. Дефект массы и энергия связи ядра
Исследования показывают, что атомные ядра являются устойчивыми образованиями. Это означает, что в ядре между нуклонами существует определенная связь. Массу ядер определяют с помощью масс – спектрометров (по величине удельных зарядов – отношению заряда к его массе).
Измерения показали, что масса ядра несколько меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но т.к. всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то и при образовании ядра должна выделяться определенная энергия.
Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра, которую можно рассчитать следующим образом:
,
где
- масса протона (кг);
- масса нейтрона (кг);
- масса ядра (кг).
Если использовать таблицу Менделеева, где даются не массы, а m – атомов, то энергия связи рассчитывается:
,
где
-
масса атома водорода (кг).
Величина
называется дефектом
массы ядра.
Часто вместо
рассматривают удельную энергию связи
.
Она характеризует
прочность атомных ядер, т.е. чем больше
,
тем устойчивее ядро.
Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается энергия кулоновского столкновения. Поэтому связь между нуклонами становится менее сильной, а ядро менее прочным.
Н
аиболее
устойчивым являются магические ядра,
у которых Z
и N
равно одному из магических чисел 2, 8,
20, 28, 50, 82, 126. Особенно стабильным являются
дважды магические ядра, у которых и Z
и N
равны магическим числам.
Из графика удельной энергии связи видно, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие (реакции распада); 2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые (реакции синтеза) (рис. 10.1). При обоих процессах выделяется огромное количество энергии.