Нуклоны. Понятие о свойствах и природе ядерных сил.

Ядро атома состоит из нуклонов: нейтронов и протонов. 

Согласно протонно-нейтронной модели, ядра состоят из элементарных частиц двух сортов: протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке, так как в целом атом нейтрален. Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру Z элемента в таблице Менделеева. Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом А. А = Z + N.

Почему ядро не распадается, несмотря на силы отталкивания между протонами? Раз стабильные ядра существуют, должны быть какие-то силы, удерживающие ядро вместе. Эта новая сила превосходит кулоновскую и её назвали сильным ядерным взаимодействием. Сильное ядерное взаимодействие — это притяжение между всеми нуклонами. Таким образом, протоны отталкиваются благодаря кулоновской силе и притягиваются благодаря ядерной силе. Нейтроны не имеют заряда, поэтому только притягиваются.

Сильное взаимодействие — интенсивное взаимодействие между нуклонами посредством ядерных сил.

Свойства ядерных сил:

1. Зарядовая независимость — как протоны так нейтроны притягиваются друг к другу одинаково.

2. Малый радиус действия — порядка размеров ядер (10⁻¹⁵ м).

3. Нецентральное действие — направление силы зависит от ориентации спинов нуклонов.

4. Насыщаемость — каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом других нуклонов.

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название пи-мезонов.

Энергия связи ядра. Удельная энергия связи ядра и ее зависимость от массового числа.

Радиоактивность. Процессы радиоактивного распада. альфа-распад, бета-распад.

Ядерные силы вызывают нестабильность некоторых изотопов, и они распадаются с испусканием того или иного излучения.

Радиоактивность – спонтанное превращение одних атомных ядер в другие, при котором происходит испускание элементарных частиц, гамма-квантов или ядерных фрагментов.

Естественная радиоактивность – радиоактивность ядер, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность – радиоактивность ядер, полученных в результате ядерных реакций.

По проникающей способности радиоактивное излучение делят на 3 типа: 

1) альфа-излучение - едва проходит через лист бумаги;

2) бета-излучение- проходит через алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм;

3) гамма-излучение - проходит сквозь слой свинца толщиной в несколько см.

Альфа-излучение — поток ядер атомов гелия;

Бета-излучение — поток электронов и позитронов;

Гамма-излучение — поток квантов ЭМИ больших энергий;

Специальные виды радиоактивности: протонный, нейтронный, кластерный распады, спонтанное деление ядер и др.

Альфа-распад

Вследствие большого количества Z в тяжелых ядрах кулоновские взаимодействия начинают преобладать над сильными ядерными взаимодействиями (первое охватывает все ядро, последнее же только соседние нуклоны). Также энергия связи слишком мала, чтобы ядро было стабильным.  От материнского ядра отделяется альфа-частица, а ядро становится дочерним (то есть происходит превращение элементов).

Альфа-распад протекает по туннельному эффекту.

Туннельный эффект – прохождение (проникновение) частицы сквозь потенциальный барьер конечной высоты и конечной ширины в том случае, если энергия частицы меньше высоты потенциального барьера.

Бета-распад

Электронный бета-распад: при испускании электрона ядро не теряет нуклонов, то есть А остается прежним. Но поскольку был испущен электрон, заряд дочернего ядра отличается от материнского (заряд дочернего ядра будет на 1 больше заряда материнского).  Важно, что испускаемый электрон не имеет отношения к орбитальным электронам. Испускаемый электрон появляется внутри ядра из нейтрона. Нейтрон превращается в протон и при этом (для сохранения заряда) испускает электрон.

Позитронный бета-распад: на практике столкнулись с тем, что часть энергии при испускании электрона куда-то девалась и закон сохранения энергии не выполнялся. Тогда предположили, что существуют какие-то еще частицы, с нулевым зарядом и очень маленькой массой покоя, которая напоминает фотон и уносит часть энергии. Такие частицы называются нейтрино (в электронном бета-распаде фигурирует антинейтрино).

Гамма-распад

Гамма-распад — распад возбуждённых состояний ядер с испусканием фотонов с энергиями 10²-10⁴ кэВ. Характерные времена жизни возбуждённых состояний не более нескольких наносекунд.