1.2.2. Ядерные силы, дефект массы

Казалось бы, что согласно закону Кулона, положительные протоны должны были бы отталкиваться. Однако, в действительности ядра атомов достаточно прочные образования. Считают, что наиболее вероятно ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами с помощью особых частиц (квантов ядерного поля), которые назвали пи-мезонами. Ядерные силы значительны только на очень малых расстояниях, сравнимых с диаметром самих ядер. Каждый нуклон взаимодействует с определённым количеством соседних нуклонов, поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжёлых элементов.

Чтобы разделить ядро на протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил нужно затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра эта энергия выделяется. Если рассчитать массу ядра по формуле:

m_я = m_n N_n + m_p N_p (1.1)

то она окажется меньше массы её составляющих на какую- то величину. Разница между массой ядра расчетной и массой ядра фактической называется дефектом массы:

m = m_расч – m_факт (1.2)

Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Этот расчёт можно произвести на основании уравнения Эйнштейна:

E = mc² (1.3)

Любому изменению массы соответствует эквивалентное изменение энергии. Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Например, энергия ядра дейтерия составляет 2,2 МэВ, азота – 104,56, а урана – 1800 МэВ. Для сравнения, химическая энергия связи атомов в молекулах в расчёте на один атом равна нескольким электронвольтам. Этим объясняется, почему ядерные реакции характеризуются в миллион раз большими энергиями, чем обычные химические реакции.

Радиоактивность – это свойство ядер определённых элементов самопроизвольно (т.е. без каких-то внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным распадом. Самопроизвольный распад ядра изображен на рис. 6.

Рис. 6. Схема деления ядра.

Радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают влияния изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

1.2.3. Типы ядерных превращений

Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра не устойчивы и претерпевают самопроизвольные превращения, в результате которых изменяется состав ядра, и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро другого элемента. При этом процессе ядра, испускают радиоактивные излучения.

Существуют следующие виды ядерных превращений: альфа-распад, бета-распад (электронный и позитронный), электронный захват, внутренняя конверсия.

Альфа-распад – состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием α-частицы (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема образования альфа-излучения.

В общем виде альфа-распад представляется таким образом: где X и Υ – символы соответственно материнского и дочернего ядер.

 + (1.4)

Бета-распад – заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускается электрон и антинейтрино (cм. рис. 8).

Рис. 8. Схема образования бета-излучения.

При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличивается на единицу.

 + β + ν^–, (1.5)

где ν^– – антинейтрино, а  – электрон.

При позитронном распаде ядро испускает частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую заряд +1, и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:

 + β⁺ + ν, (1.6)

где ν – нейтрино, ⁺ – позитрон.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образую пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частицы (e⁺ + e^–). Процесс превращения пары «электрон-позитрон» в два гамма-кванта получил название аннигиляции. Т.о. при позитронном распаде в конечном итоге за пределы ядра вылетают не две частицы, а два гамма-кванта, каждый из которых обладает энергией, равной 0,511МэВ.

Электронный захват – один из протонов ядра забирает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему слоя и превращается в нейтрон.

Схема электронного захвата:

+ β  + ν (1.7)

Освободившееся место заполняется электроном из более отдалённых от ядра слоёв оболочки атома. Избыток энергии испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.

В зависимости от того, с какой внутренней оболочки захватывается электрон, иногда различают К-захват, L-захват и т.д.

Внутренняя конверсия – переход возбуждённого ядра в состояние с меньшей энергией может происходить путём внутренней конверсии, или конверсии с образованием электронно-позитронных пар. Ядро передаёт энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоёв, который в результате этого удаляется за пределы атома. Такие электроны получили название электронов внутренней конверсии.