15

Атомные ядра Ядерные силы

Причиной образования атомных ядер можно считать т.н. "ядерные силы", которые, с одной стороны, удерживают частицы-нуклоныв составе единого связанного агрегата-ядраи, с другой стороны, во многом определяют свойства ядер. По своей природе ядерные силы обусловлены наличием внутри барионов цветных частиц — кварков. С больших расстояний барионы, каждый из которых содержит три кварка разного цвета, выглядят бесцветными, т.е. не участвующими в цветовых взаимодействиях. Однако, при сближении двух барионов на рассто­яние, сравнимое с их собственными размерами, проявляютсяостаточные цветовые взаимодействия, обусловливающие возможность связы­вания барионов в ядро.

Бо­льшинство таких структур имеют очень малое время жизни, поскольку почти все барионы сами подвержены процессам распада. Стабильные долгоживу­щие структуры образуются только из барионов двух типов — протоновинейтронов. Такие структуры называютсяатомными ядрами, а частицы их образующие —нуклонами. ­

Нуклонный состав ядер

Важнейшей характеристикой атомного ядра является его нуклонный состав, который можно охарактеризоватьчислом протонов (N_p) ичислом нейтронов(N_n), с которыми связано большин­ство механических наблюдаемых ядер:

Число протонов (N_p) важно тем, что оно обусловливает величинуэлектрического зарядаядра и, следовательно, соответствующий емуномер химического элементав Периодической системе. Поэтому число протонов (N_p) часто называютзарядовым числомядра и обозначают символомZ. Суммарное число нуклоновN=N_p+N_nобусловливает величину атомной массы, и поэтому его часто называютмассовым числомM.

Каждое атомное ядро можно обозначить символом химического элемента с указанием двух индексов — массового (M) и зарядового (Z) чисел. (Иногда зарядовое число опускают, поскольку его однозначно определяет сам символ химического элемента.)

Существуют ядра с одинаковыми числами протонов, но разными числами нейтронов, например, ¹H,²H,³H. Они называютсяизотопами. Это понятие играет важную роль в химии, где каждому химическому элементу можно сопоставить особую характеристику —изотопный состав. Дополнительно можно выделить ядра-изобары, для которых постоянной величиной является сумма чисел протонов и нейтронов. Примером могут служить ядра⁴⁰K(19 протонов + 21 нейтрон) и⁴⁰Ar(18 протонов + 22 нейтрона).

Внутриядерные взаимодействия

Поскольку атомные ядра входят в состав важнейших в химическом отношении структур — атомов и молекул — вопросы строения атомных ядер, а также их устойчивости представляют огромное значение для химии. Центральную роль в выяснении этих вопросов играет проблема внутриядерных взаимодействий, определяющих взаимные влияния нуклонов и все свойства атомного ядра как целого.

Между нуклонами внутри ядер существует два типа взаимодействий:

• остаточное цветовое (т.н.ядерные силы), обусловленное цветовыми зарядами кварков, содержащихся внутри расположенных рядом нуклонов;

• фундаментальное электромагнитное,обусловленное электрическими зарядами протонов, а также собственными магнитными моментами протонов и нейтронов.

Кроме того, все нуклоны имеют спиновое число s= 1/2 и относятся к классу фермионов. Следовательно, атомные ядра являются фермионными структурами, что накладывает специальные условия на возможные способы взаимодействия нуклонов друг о другом (действие принципа Паули).

Внутриядерные взаимодействия, в первую очередь, обусловлива­ют устойчивость ядра, саму возможность его существования как единой связанной структуры. Главную роль здесь играют кулоновские и ядерные силы, тогда как магнитные и фермион-фермионное взаимодействия при­водят к сложному поведению атомных ядер, к разнообразию их свойств. Вклады кулоновских и ядерных сил в устойчивость ядер различны и даже противоположны друг другу.

Кулоновские силыявляются силами отталкивания,поскольку заряды всех протонов имеют один и тот же знак. Поэтому эти силы обусловливают существование внутри ядра положительной потенциальной энергии (Е_кул), которую можно вычислить как работу, необходимую для сближения определенного числа зарядов на заданное малое расстояние. Фундаментальный характер кулоновских сил приводит к тому, что работа, необходимая для внедрения в ядро каждого последующего протона, гораздо больше, чем предыдущего. В расчете на один нуклон, кулоновская энергия отталкивания быстро возрастает с увеличением заряда ядра.

Ядерные силыявляются силами притяжения и обусловливают существование отрицательной потенциальной энергии (Е_ядерн). Они относятся к остаточному типу и являются насыщаемыми, т.е. действуют только между соседними нуклонами. По мере увеличения числа нуклонов в ядре величина энергииЕ_ядерн(в расчете на один нуклон) растет только до определенного предела.

Разницу между двумя основными типами взаимодействий можно наглядно отобразить с помощью графиков зависимости от числа нуклонов (N) удельных значений энергийЕ_кул/Nи Е_ядерн/N.

Из графика ясно видно, что при небольших размерах ядра (N<N*) суммарная энергия ядра отрицательна и в нем преобладают силы притяжения. Поэтому такие ядра устойчивы. Напротив, большие ядра (N>N*) характеризуются положительной энергией и в них превалируют силы отталкивания. Такие ядра нестабильны и подвергаются самопроизвольному разрушению на более мелкие агрегаты нуклонов. Эта нестабильность обычно обозначается термином "радиоактивность". (Существует множество оценок критического числаN*, которые лежат в интервале от 130 до 150.)

С химической точки зрения важное значение имеет то обстоятельство, что разнообразие долгоживущих ядер, а, следовательно, и химических элементов, ограничено критической величиной атомного номера (N~N*).

Учет тонких эффектов, связанных с внутриядерными магнитными силами, влияние электронных оболочек и т.д. приводит к тому, что изображенные на графике зависимости, при сохранении их общего характера, становятся более сложными, "извилистыми".

Это приводит к появлению широкой области значений числа нуклонов, в которой устойчивость ядер становится плохо предсказуемой. Здесь возможно появление т.н. "островков" устойчивости и неустойчивости.