11.2. Ядерные силы

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называют ядерными, которые являются проявлением одного из самых интенсивных, известных в физике взаимодействий  сильного (ядерного). Они превосходят электромагнитные взаимодействия  в 1000 раз. Свойства ядерных сил:

1. Ядерные взаимодействия  самые сильные в природе. Например, энергия связи дейтрона 2,23 МэВ; энергия связи атома водорода 13,6 эВ.

2. Радиус действия ядерных сил конечен 10^15 м.

3. Ядерные силы не имеют центральной симметрии. Эта особенность ядерных сил проявляется в их зависимости от спинов нуклонов.

4. Взаимодействие между нуклонами имеет обменный характер. В опытах по рассеянию нейтронов на протонах регистрируются случаи “отрыва” от протонов их электрических зарядов и присоединения зарядов к нейтронам, в результате чего нейтрон превращается в протон.

5. Ядерные силы обладают изотопической инвариантностью, которая проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов в системах нейтрон  нейтрон, протон  нейтрон, протон  протон при одном и том же состоянии относительного движения частиц в этих парах.

6. На расстояниях 10^15 м ядерные силы являются силами притяжения. На меньших расстояниях  силами отталкивания, что было обнаружено в опытах по рассеянию протонов на протонах при энергиях выше 400 МэВ.

7. Ядерные силы обладают свойством насыщения, проявляющееся в независимости удельной энергии связи атомных ядер от их массового числа А.

8. Ядерные силы зависят от скорости относительного движения нуклонов. Например, при столкновениях нуклонов при увеличении энергии от 500 МэВ до 1 ГэВ сечение рассеяние нейтрона на протоне уменьшается на порядок.

Таким образом, характер ядерных сил свидетельствует о сложной структуре нуклонов.

11.3. Дефект массы. Энергия связи ядер

Энергия связи ядра W_св  энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составные части (нуклоны).

Она равна разности суммарной массы входящих в него нуклонов и массы ядра, умноженной на скорость света в квадрате (с²),

т. е.

W_св = [Zm_p + (A  Z)m_n  m_я]с², (11.4)

где m_p,m_n,m_ямассы протона, нейтрона и ядра.

Как видно, масса ядра не равна сумме масс, образующих ядро нуклонов, что и называют дефектом масс, т. е.

m = Zm_p + (A  Z)m_n  m_я. (11.5)

Причиной этого является сильное взаимодействие нуклонов в ядре. Поэтому из-за этого взаимодействия на полное разрушение ядра с освобождением из него всех нуклонов необходимо затратить энергию, равную энергия связи ядра, которая является отрицательной, так как при образовании ядра из свободных нуклонов энергия выделяется.

Энергию связи ядра необходимо отличать от его внутренней энергии  энергии образования ядра.

Энергия связи ядра включает в себя энергии: объемную, поверхностную, симметрии и спаривания.

Физическая природа энергии симметрии пока неясна, однако ее наличие свидетельствует о том, что протон отличается от нейтрона не только электрическим зарядом и массой, но и другими характеристиками.

Энергия спаривания вызвана спариванием одинаковых нуклонов в ядре. Энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре и характеризуется удельной энергией связи w, т. е. энергией связи, приходящейся на один нуклон:

w = W/A, (11.6)

где А  массовое число.

Удельная энергия связи ядер составляет w = 6  8 МэВ.

Это вызвано насыщением ядерных сил. Ядра называют магическими, если у них число протонов или нейтронов равно одному из чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Последнее число справедливо только для нейтрона.

Существование магических чисел объясняется оболочечной моделью ядра. Если у ядра одновременно магическими являются число протонов и нейтронов, то такое ядро называют дважды магическим, например, ядра изотопов:

, .

Эти ядра отличаются повышенной устойчивостью (большей удельной энергией связи) и широкой распространенностью в природе.

Ядра атомов с одинаковым А, но различным Z (число протонов) и N = AZ (число нейтронов) называют изобарами. Ядра атомов с одинаковыми Z, но различными N (число нейтронов) называют изотопами.

Ядра атомов с одинаковым N, но различными Z называют изотонами.

На рис. 11.2 представлена кривая зависимости удельной энергии связи ядра от массового числа А для наиболее стабильных изобаров при всех четных значениях А (кривая Вейцзеккера).

Рис. 11.2

Удельная энергии связи мало меняется при переходе от ядра к ядру и равна  8 МэВ. Удельная энергия связи имеет максимум при А = 56 (ядро железа). Этот максимум составляет  8,8 МэВ.

Замедление роста удельной энергии связи с последующим ее снижением для малых А связано с поверхностной энергией, а затем (с ростом А)  с кулоновским отталкиванием.

Из графика видно, что для легких ядер энергетически выгоден процесс слияния их с выделением ядерной энергии синтеза.

Напротив, для тяжелых ядер энергетически выгоден процесс деления, сопровождающийся также выделением ядерной энергии.

На этих процессах основана вся ядерная энергетика.