Атомное ядро

Итак, радиоактивное излучение необходимо было приписать ядру атома. Естественно возникает вопрос о строении ядра, причем таком, которое бы согласовывалось с периодической таблицей Менделеева.

В 1932 г. была открыта новая частица, неизвестная ранее ‑ нейтрон. Заряд нейтрона равен нулю, масса приблизительно равна массе протона ‑ . Сразу же после открытия нейтрона советский физик Д.Д.Иваненко высказал гипотезу, что ядра состоят только из протонов и нейтронов. Общее название частиц в ядре ‑ нуклоны (это могут быть и протоны и нейтроны).

Характеристики протона:

В связи с этим, в атомной физике принята единица измерения массы ‑ одна атомная единица массы ‑ . В атомной физике принято выражать массы элементарных частиц через их энергии согласно формуле Эйнштейна . При этом масса покоя протона равна: , масса покоя электрона ‑ .

Протон имеет спин, равный половине ‑ и собственный магнитный момент , где ‑ ядерный магнетон. Магнитный момент электрона .

Нейтрон имеет массу . Отсюда . Спин нейтрона также равен половине ‑ , собственный магнитный момент . В свободном состоянии нейтрон не стабилен. Он распадается по схеме:

Здесь ‑ антинейтрино, масса антинейтрино равна нулю ‑ . Период полураспада . Энергия, равная разности масс покоя участвующих частиц ‑ выделяется в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Как мы уже отмечали, ядра характеризуются массовым числом ‑ число нуклонов в ядре и зарядовым числом ‑ число протонов в ядре. ‑ число нейтронов в ядре.

Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, входящих в ядро. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро, выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.

Энергия связи равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны на расстояния, при котором они практически не взаимодействуют друг с другом.

Таким образом, энергия ядра меньше энергии не взаимодействующих нуклонов.

Уменьшение энергии должно сопровождаться эквивалентным уменьшением массы ‑ . Следовательно, энергия связи нуклонов в ядре будет определяться как:

В качестве примера подсчитаем энергия связи ядра гелия ‑ :

Масса гелия равна . Отсюда энергия связи будет равна ‑ . Или, в расчете на один нуклон .

Энергия связи на один нуклон примерно одинакова для всех ядер, исключая самые легкие и самые тяжелые.

Ядерные силы

Огромная энергия связи указывает на то, что внутри ядра действуют огромные силы, удерживая как целое это ядро. Это не электромагнитные силы. Наоборот, эти силы преодолевают громадные силы электростатического отталкивания протонов в ядре.

Эти специфические силы называются ядерными силами, а взаимодействие посредством ядерных сил ‑ сильным взаимодействием.

1). Ядерные силы являются короткодействующими. На расстояниях порядка их действие уже не обнаруживается. На расстояниях меньших притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

2). Сильное взаимодействие не зависит от зарядов нуклона ‑ зарядовая независимость ядерных сил. Поэтому для частиц ядра ‑ протонов и нейтронов существует общее название ‑ нуклоны.

3). Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов, и вытекает из того факта, что энергия связи на один нуклон примерно постоянна для всех ядер.