Изотопы

Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Например, у водорода три изотопа: – обычный водород, – дейтерий и – тритий. У углерода известно  6 изотопов, у кислорода – 3.

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической таблице Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

Ядерные силы

Одной из центральных проблем ядерной физики является вопрос о силе, связывающей воедино нуклоны в ядре. На первый взгляд кажется, что ядро, составленное из протонов и нейтронов, должно разлететься. Действительно, между двумя протонами действуют силы электростатического отталкивания F_кл и гравитационного притяжения F_гр. Оценим их величины.

Сила отталкивания определяется по закону Кулона:

F_кл = , где r ≈10^-15 м – радиус ядра.

F_кл = ≈ 310² Н.

Сила притяжения определяется по закону Всемирного тяготения:

F_гр = = ≈ 10^–34 Н

Получается, что силы притяжения на 36 порядков меньше сил отталкивания!

Факт существования устойчивых ядер свидетельствует о том, что между нуклонами в ядре действуют силы иной природы – ядерные силы.

Силы ядерного (сильного) взаимодействия значительно отличаются от гравитационных и электромагнитных сил.

Важнейшей особенностью ядерных сил является короткий радиус действия, который не превышает размеров ядра. В отличие от кулоновских, ядерные силы убывают не обратно пропорционально квадрату расстояния, а намного быстрее. На расстояниях, больших 1,410^–15 м, действие этих сил пренебрежимо мало, и определяющую роль начинают играть силы кулоновского взаимодействия.

Экспериментально доказано, что ядерные силы действуют одинаково между парами частиц протон-протон, протон-нейтрон и нейтрон-нейтрон. Это свойство называется зарядовой независимостью.

Дефект масс атомного ядра

Точные измерения масс атомных ядер показали, что сумма масс свободных нуклонов всегда больше массы составленного из них ядра.

Возьмем для примера атом гелия. Его ядро состоит из двух нейтронов и двух протонов, а оболочка содержит два электрона. Сложим массы этих составных частей:

2 протона + 2 нейтрона + 2 электрона =

= 2  1,00727 + 2  1,00865 + 2  0,00055 =

= 4,03294 (а.е.м.)

Сравним результат с табличным значением 4,00261 а.е.м. для массы атома.

Атомная масса гелия на величину Δm = 0,03033 а.е.м. меньше рассчитанного значения для суммы масс составляющих его частиц. Соответствующие вычисления с любым другими атомами приводят к аналогичному результату.

M

Сумма масс свободных нуклонов

всегда больше массы

составленного из них ядра

_я < Zm_p + Nm_n.

Разница Δm между суммарной массой свободных нуклонов и массой составленного из них ядра называется дефектом масс.

ΔM = Zm_p + Nm_n – M_я.