5.2 Строение атомного ядра
Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Протон (p) имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона, и массу покоя, превышающую массу покоя электрона в 1836 раз. Нейтральная частица нейтрон (n) имеет массу, превышающую массу электрона в 1839 раз. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus – ядро), общее число нуклонов в ядре называется массовым числом А. Заряд ядра определяется числом протонов Z, которое называется зарядовым числом. Зарядовое число совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов. В настоящее время известно более 100 химических элементов и около 1500 ядер, отличающихся либо А, либо Z, либо тем и другим. Примерно 20 % этих ядер устойчивы, остальные нестабильны (радиоактивны). Ядра с одинаковым зарядовым числом А (одинаковым числом протонов), но разным массовым числом Z (разным числом нейтронов) называются изотопами. Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов: кислород имеет три стабильных изотопа (16О, 17О, 18О), у олова 10 изотопов и т.д. Водород имеет три изотопа: стабильные протий 1Н и дейтерий 2Н и радиоактивный тритий 3Н.
Радиус ядра пропорционален массовому числу А и составляет (1,3-1,7)×10-15 м. Плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (1017 кг/м3).
Опыт показывает, что масса ядра меньше суммы масс составляющих нуклонов на величину m, называемую дефектом массы ядра. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра Wсв. Энергия связи ядра связана с его дефектом массы m соотношением Wсв.=mc2.
Важной характеристикой ядра является его удельная энергия связи Wсв/A – энергия связи, отнесенная к одному нуклону. Эта энергия в миллион раз меньше, чем энергия связи электронов в атомах. Из рисунка 16 следует, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны процессы деления тяжелых ядер на более легкие и слияние легких ядер в более тяжелые. |
Рисунок 16 – Зависимость удельной энергии связи ядра от числа нуклонов |
При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и термоядерного синтеза)
Между составляющими ядро нуклонами действуют особые силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Эти силы называются ядерными. Отличительные особенности ядерных сил состоят, в частности, в следующем:
Ядерные силы являются короткодействующими. Радиус действия ядерных сил составляет 10-15 м; на расстояниях, больших 10-15 м, ядерное притяжение протонов сменяется их кулоновским отталкиванием.
Ядерные силы обладают зарядовой независимостью. Взаимодействие протона с протоном, протона с нейтроном и нейтрона с нейтроном имеет одинаковую величину.
Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.
Единая последовательная теория атомного ядра до настоящего времени не разработана. Среди моделей, описывающих свойства ядра, наиболее известны капельная и оболочечная модели. Капельная модель (Н. Бор, Я.И. Френкель, 1936) основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Оболочечная модель (М. Гепперт-Майер, Х. Иенсен, 1950) предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули. Устойчивость ядер в этой модели связана с заполнением этих оболочек. Наиболее устойчивыми (магическими) оказываются ядра с полностью заполненными оболочками (4Не, 16О, 40Са, 48Са, 208Pb).