Кулоновское отталкивание протонов

Энергия связи нуклонов в ядре уменьшается из-за кулоновского отталки­вания между протонами. Это кулоновское отталкивание является дальнодействующим в отличие от "контактного" сильного взаимодействия, действующего только между соприкасающимися нуклонами. Для легких ядер эффект кулоновского отталкивания не играет существенной роли, но для тяжелых ядер ситуация уже иная. В самом деле, энергия кулоновского отталкивания определяется попарным взаимодействием всех Z протонов ядра и потому пропорциoнальна Z(Z-l), т.е. пропорциональна Z² при Z1. Энергия притяжения нуклонов из-за сильного взаимодействия, как уже отмечалось, пропорциональна пол ному числу нуклонов А. Так как числа протонов и нейтронов в устойчивых ядpax приблизительно одинаковы, то эта энергия фактически пропорциональна Z. Поэтому с ростом Z роль кулоновской энергии увеличивается. Этим объясняется уменьшение удельной энергии связи тяжелых ядер с возрастанием Z .

Ядерные связи между нуклонами наиболее прочны, когда числа протонов i нейтронов Z и N одинаковы, т.е. в ядре как бы образуются протон-нейтронны пары. Поэтому у легких стабильных ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов одинаковы. Однако у ядер с большими атомными номерами для обеспечения устойчивости требуются дополни тельные нейтроны. Это обусловлено возрастанием относительной роли кулоновского взаимодействия между протонами. Устойчивость ядра с ростом Z достигается вплетением все большего числа нейтронов. У ядер элементов, еле дующих за свинцом (Z > 82), уже так много протонов, что полная их стабильность оказывается вообще невозможной.

Наибольшей устойчивостью и распространенностью в природе отличаются ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из так называемых магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Если у ядра одновременно являются магическими как число нейтронов, так и число протонов, то таки дважды магические ядра отличаются особенно большой устойчивостью. Таких ядер всего пять: Не, О, Са,Са,РЬ. Повышенная устойчивость магических ядер объясняется так называемойоболоченной моделью ядра.

Радиоактивность

Наряду со стабильными ядрами существуют радиоактивные ядра, в которых происходит самопроизвольное изменение состава. Большая часть известных радиоактивных ядер получена искусственно путем бомбардировки мишеней различными частицами. Известно несколько видов радиоактивного распада.

Альфа-распад.

При -распаде из ядра спонтанно вылетает -частица - ядро атома гелия Не . При этом зарядовое число Z ядра в соответствии с законом сохранения электрического заряда уменьшается на два и образуется ядро нового химического элемента, который сдвинут влево относительно исходного на две клетки периодической системы.

Бета-распад.

При -распаде из ядра вылетает электрон и электронное антинейтрино. Существование этой электрически нейтральной частицы было предположено Паули для объяснения кажущегося нарушения закона сохранения энергии в элементарном акте -распада. В -распаде распределение энергии между вылетающим электроном и антинейтрино имеет случайный характер. Поэтому в отличие от -частиц, вылетающих из данного ядра с вполне определенной энергией, вылетающие электроны могут иметь разную энергию.

При -распаде вылетающий электрон не существует внутри ядра, а образуется там при превращении нейтрона в протон. В этом смысле говорят, что -распад – это не внутриядерный, а внутринуклонный процесс он затрагивает более глубокие изменения структуры вещества, чем -распад. Теория -распада была разработана Ферми на основе предположения о так называемом слабом взаимодействии, описывающем превращение нейтрона в протон.

При -распаде массовое число А ядра не меняется, а зарядовое число Z увеличивается на единицу: образуется новый химический элемент, который двинут в периодической системе вправо на одну клетку.