18 Структура атомного ядра

А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Учитывая схему внутриядерного взаимодействия нуклонов, атомное ядро можно представить состоящим из шариков-нуклонов одинакового размера, равного размеру нейтрона. Поскольку внутри ядра свойства нейтронов и протонов уравниваются и все они одинаково взаимно притягиваются, ядро должно представлять из себя сферу с максимально плотной упаковкой нуклонов. В геометрии данная 3-х мерная упаковка шаров давно известна, и называется - ромбоэдральной. В ней каждый шар соприкасается сразу с 12-тью соседними. Получается она путем последовательного наложения друг на друга слоев из наиплотнейших плоских упаковок шаров, которые можно изобразить:

При этом, при наложении, каждый новый слой смещается таким образом, чтобы его шары попали в углубления нижнего слоя. Обратите внимание, что смещение возможно двоякое. Благодаря этому, у ромбоэдральной упаковки есть интересное свойство: - если смещение от слоя к слою будет повторяться однотипно, то мы получим кристаллическую решетку. - если хаотично, то получится некристаллическая упаковка, но все равно - также наиплотнейшая из всех возможных.

19 Энергия связи атомных ядер

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основе закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи ядра равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частии.

Энергия связи — это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие его частицы.

20 Ядерные силы и их свойства

Между нуклонами в ядре действуют силы притяжения – ядерные силы. Ядерные силы относятся, наряду с гравитационными и электромагнитными, к числу так называемых фундаментальных сил природы. Синонимом выражения “ядерные силы” является выражение “сильное взаимодействие”. Этим выражением подчеркивается тот факт, что ядерные силы гораздо более “сильные”, чем электромагнитные и тем более гравитационные. Ведь ядерные силы удерживают в ядре одноименно заряженные протоны, которые по закону Кулона отталкиваются, и незаряженные нейтроны. Не будь ядерных сил, ядра разлетелись бы на отдельные нуклоны. Таким образом, ядерные силы самые “сильные” в природе.

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:

1. В отличие от электромагнитных и гравитационных сил, радиус действия которых равен бесконечности, ядерные силы являются короткодействующими, так как они очень быстро убывают с расстоянием. На расстояниях, превышающих примерно r₀10^-15 м, ядерные силы становятся практически равными нулю. Величина r₀ называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения, заключающимся в том, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом ближайших соседей.

3. Величина сильного взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов.

4. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости, выражающимся в том, что величина ядерных сил не зависит от электрического заряда взаимодействующих нуклонов.

Свойства насыщения и короткодействия ядерных сил объясняются их природой. Эти силы относятся к числу так называемых обменных сил, т.е. возникают между двумя частицами благодаря обмену третьей частицей. Такой частицей, выполняющей роль “переносчика” сильного взаимодействия, является  - мезон. Существует три типа  - мезонов:  ⁺,  ^-,  ⁰ – мезоны. Нуклон в ядре испускает  -мезон, который затем поглощается соседним нуклоном. В свою очередь, этот второй нуклон испускает  -мезон, который поглощается первым нуклоном. Обмен мезонами и приводит к взаимодействию между нуклонами.

Обмен  - мезонами можно выразить следующими реакциями:

Таким образом, в ходе обмена  - мезонами протоны непрерывно превращаются в нейтроны, а нейтроны – в протоны. Поэтому в составе ядра вообще нет принципиальной разницы между протонами и нейтронами. Их можно рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона.