Глава 22. Ядерная физика § 92. Строение атомного ядра

Ядром называют центральную часть атома, в которой сосредоточены практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.

Ядра атомов состоят из элементарных частиц — протонов и нейтронов. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (q = 1,6∙10^–19 Кл). Масса протона m_p = 1,673∙10^–27 кг. Нейтрон не имеет электрического заряда. Масса нейтрона m_n = 1,675∙10^–27 кг. Протон и нейтрон, как и электрон, обладают спином.

Так как атом электрически нейтрален, то число протонов в ядре должно равняться числу электронов в атоме, т. е. порядковому номеру Z элемента таблицы Менделеева.

Обозначим через N число нейтронов в ядре. Тогда

есть число нейтронов и протонов в ядре, называемое массовым числом.

Так как протоны и нейтроны могут существовать и вне атома, то в составе атома их называют одним термином — нуклоны, и говорят, что ядро состоит из нуклонов.

Размер ядра характеризуют радиусом R ядра. Если нуклон представить в виде шарика радиусом R₀, то можно записать

откуда

Опыт дает

Атомное ядро обозначают как

где X — символ элемента в таблице Менделеева.

Ядра с одинаковыми Z, но с различными A, называют изобарами.

§ 93. Энергия связи ядра

Мы знаем, что в обычных условиях взаимодействие между заряженными элементарными частицами намного превышает их гравитационное притяжение. Поэтому одноименно заряженные протоны в ядре должны были бы взаимно отталкиваться. Однако нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. Между ними существует особое ядерное сильное взаимодействие — притяжение, обеспечивающее устойчивость ядер.

Ядерные силы являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10^–15 м).

Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость (силы притяжения между нуклонами не зависят от их заряда).

Ядерные силы обладают насыщенностью (нуклон взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов).

Ядерные силы зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.

Ядерные силы не являются центральными силами (их нельзя представить действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов).

Назовем энергией связи ядра E_св энергию, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на взаимодействующие нуклоны. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться энергия, равная энергии связи ядер E_св. Вспомним соотношение между массой и энергией:

где c — скорость света, откуда

где Δm — убыль суммарной массы нуклонов при образовании ядра. Иными словами, масса ядра меньше массы составляющих его нуклонов на Δm, называемое дефектом массы. Можем написать

где M_я — масса ядра.

Важной характеристикой ядра является удельная энергия связи ядра, а именно энергия связи, приходящаяся на одни нуклон: E_св/A, где A — число нуклонов в ядре (массовое число). Изобразим графически зависимость E_св/A от A (рис. 93.1). Из рисунка видно, что наибольшей энергией связи обладают ядра элементов, находящихся в середине таблицы элементов Менделеева. Поэтому возможны два процесса: 1) деление тяжелых ядер; 2) объединение легких ядер (термоядерная реакция).

Рис. 93.1