3.8. Ядро атома.

В опытах Резерфорда в 1911г. было установлено, что основная масса атома сосредоточена в его центральной части и занимает сравнительно небольшой объем. Эта часть атома была назва­на ядром. Ядро состоит из нуклонов – прото­нов и нейтронов.

При описании ядер используются следующие термины и символы: Z – атомный номер, рав­ный числу протонов; массовое число А – это число нуклонов в данном ядре, N – число нейтронов в ядре. Изотопы обозна­чаются следующим образом: , X – химиче­ский символ элемента. .

Все изотопы одного элемента содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Поскольку именно ядерный заряд определяет характерные свойства атома, все изотопы данного элемента имеют одинаковые химические свойства и различаются только по массе.

Объем ядра прямо пропор­ционален числу нуклонов в ядре А. Если радиус ядра R, то его объем (4/3)πR³, поэтому величина R³ пропорциональна А. Это соотношение запи­сывается в следующем виде: R_о = 1,3·10 ^–15 м.

На протоны, находящиеся в ядре, действуют кулоновские силы отталкивания, стремящиеся разрушить ядро изнутри. Тем не менее ядро не разлетается на части, т.к. кроме кулоновской существует иная сила, превосходящая кулоновскую. Эта сила получила название сильного (ядерного) взаимодействия. Сильное (ядер­ное) взаимодействие – это притяжение, дей­ствующее между всеми нуклонами, как прото­нами, так и нейтронами.

Одной из важных особенностей сильного взаимодействия является то, что оно короткодействующее: наибольшее расстояние, на ко­тором проявляется сильное взаимодействие, составляет примерно м. Поэтому нуклоны сильно взаимодействуют только с ближайшими соседями. Этот эффект называется насыще­нием ядерных сил. Не все сочетания нейтронов и протонов образуют стабильные ядра. Как правило, в легких ядрах (А < 20) содержится одинаковое число нейтронов и про­тонов, а в более тяжелых ядрах доля нейтронов становится все больше. Отчасти это можно объяснить тем, что в ядрах с числом протонов Z > 10 отталкива­ние протонов становится настолько большим, что для обеспечения стабильности ядра необходим из­быток нейтронов, которые испытывают только притяжение. Даже в легких ядрах число нейтро­нов N может быть больше Z, но ни в коем случае не меньше. Ядро , например, стабильно, а уже нестабильно.

Поскольку кулоновское отталкива­ние протонов существенно по всему объему ядра, дальше определенного предела нейтроны уже не в состоянии помешать развалу больших ядер. Таким пределом является изотоп висму­та – самое тяжелое стабильное ядро. Все ядра с Z > 83 и А > 209 самопроизвольно (спон­танно) превращаются в более легкие ядра.

Ядра характеризуются также своим спином. Он слагается из спинов нуклонов. Спин нуклона равен 1/2, поэтому спин ядра может быть как целым, так и полуцелым – в зависимости от числа нуклонов, четного или нечетного.

Существует еще один тип ядерных сил, получивших название слабого взаимодействия. Оно проявляется в существовании опреде­ленных типов радиоактивного распада. Слабое взаимодействие, как и сильное, является корот­кодействующим, но намного слабее.

Энергия связи ядер. Масса стабильного ядра М_Я всегда меньше массы составляющих его частиц. Разность между этими массами состав­ляет дефект массы. Дефект массы равен ,

где т_р − масса протона, т_п − масса нейтро­на.

Дефект массы показывает, что для полного расщепления ядра на составляющие его нукло­ны необходимо затратить соответствующую энергию ΔW, равную ΔW=Δm·c²

и называемую энергией связи. Она харак­теризует стабильность ядра.

Величина, равная отношению энергии связи ядра к числу нуклонов А в ядре, определяет энер­гию связи на один нуклон, или удельную энер­гию связи в ядре.

Наиболее прочными оказываются ядра с массовыми числами А порядка 50 − 60. Как с ростом, так и с уменьшением А удельная энергия связи уменьшается. Тяжелым ядрам становится энер­гетически выгодно делиться, образуя более лег­кие и прочные ядра. Легким ядрам, наоборот, выгодно сливаться друг с другом, образуя бо­лее тяжелое ядро.

В обоих случаях выделяется энергия. В пер­вом случае энергию называют атомной, во вто­ром – термоядерной. На единицу массы в реак­циях синтеза в среднем выделяется в пять раз больше энергии, чем при ядерном распаде.

Радиоактивность. Самопроизвольное превращение одних нестабильных атомных ядер в другие, сопровождаемое испус­канием элементарных частиц, называется ра­диоактивностью. К числу радиоактивных процессов относятся: α-распад, β-распад, электронный захват и γ-излучение.

Процесс распада является случайным: невоз­можно точно предсказать, когда произойдет распад данного ядра. Но можно приближенно предсказать, сколько ядер спустя данный про­межуток времени останутся нераспавшимися: . Это соотношение называется законом ра­диоактивного распада. В нем N₀ – началь­ное число радиоактивных ядер в данном образ­це, N – число нераспавшихся ядер, величина λ называется постоянной радиоактивного распада.

Скорость распада, или число распадов в се­кунду, dN/dt называется активностью данного образца:,

dN/dt = – λ·N= – λ·N₀ ·exp(– λ·T).

Скорость распада часто характеризуется еще периодом полураспада T_1/2 – промежутком времени, за который распадается половина ис­ходного количества изотопа в данном образце: .

Альфа-распад. α-частицы представля­ют собой ядра атомов гелия . Альфа-распад обусловлен тем, что сильное взаимодействие не в состоянии обеспечить стабильность очень тяжелых ядер и протекает по следующей схеме: .

Бета-распад. Если образующееся ядро имеет слишком низкое или слишком высокое значение отношения числа нейтронов к числу протонов, чем это требуется по условиям ста­бильности, то ядро может испытать β-распад. Решающую роль в β-распаде играет сла­бое взаимодействие. При отрицательном β ⁻ -распаде нейтрон превра­щается в протон и электрон . Электрон, вылетающий при этом из ядра, называется β-час­тицей. При положительном β⁺ - распаде протон пре­вращается в нейтрон и позитрон е⁺: р→п + е⁺ +ν_e. Та­ким образом, при положительном β-распаде доля нейтронов в ядре увеличивается, а при от­рицательном – уменьшается.

Третий вид β-распада (электронный или К-захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон: р+ е⁻→п +ν_e.

При β -распаде помимо β-частицы (электрона или позитрона) испускает­ся еще одна частица: антинейтрино (или нейтрино ν_e).

Гамма-излучение – фотоны очень высокой энергии. Распад ядра с испусканием γ-квантов ана­логичен испусканию фотонов возбужденными ато­мами. При γ-распаде не происходит превраще­ния одного химического элемента в другой.

При радиоактивном распаде всех трех видов выполняются законы сохранения энергии, им­пульса, момента импульса и электрического за­ряда. Выполняется также закон сохранения числа нуклонов: полное число нуклонов оста­ется неизменным при любом радиоактивном распаде.

Ядерные реакции. Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с эле­ментарной частицей или с другим ядром, при­водящий к образованию нового ядра. Наибо­лее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в результате чего образуются другая легкая частица b и ядро Y: X + a→Y + b.

В качестве легких частиц могут выступать нейтрон, протон, дейтрон, α-частица и фотон (γ–квант).

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Ко­личество выделяющейся энергии называется энергией реакции. Она определяется разностью масс (выраженных в энергетических еди­ницах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением анергии и энергия реакции будет отрицательной.

Каждое ядро окружено электростатическим барьером, который препятствует как проникновению в ядро, так и вылету из него положительной частицы. На нейтроны, не имеющие заряда, барьер не действует и поэтому они поглощаются и испускаются ядрами легче, чем протоны и альфа-частицы.

Другим типом ядерной реакции являются реакции деления ядер. При делении тяжелое ядро (А > 239) расщепляется на два более легких. Образовавшиеся при этом ядра N₁ и N₂ называют осколками деления. Деление ядра сопровож­дается испусканием двух или трех нейтронов. Ре­акцию деления ядра можно записать в виде:

Масса каждого осколка составляет пример­но половину массы ядра урана, хотя массы ос­колков редко бывают одинаковыми. В результа­те реакции деления высвобождается огромное количество энергии, так как масса ядра зна­чительно меньше суммарной массы осколков деления.

Нейтроны, испускаемые в каждом акте деле­ния, можно использовать для осуществления цепной реакции.

Ядерный синтез, т.е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тя­желых ядер, выделением огромных количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необходи­мы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Энергия, выделяемая в реакции ядерного синтеза в расчете на данную массу горючего, больше, чем при делении ядра. Кроме того, при ядерном синтезе не столь остра проблема за­хоронения радиоактивных отходов. В качестве горючего термоядерного реактора можно ис­пользовать дейтерий, имеющийся в достаточ­ном количестве в воде океанов.

Трудности осуществления контролируемой реакции ядерного синтеза обусловлены тем, что термоядерные реакции идут при очень высокой температуре и нагретую до десятков миллионов градусов плазму определенной плотности необходимо удерживать в течение времени, при котором энергия, выделяющаяся при термоядерном синтезе, превысит энергию, затраченную на прохождение этой реакции.

Фундаментальные взаимодействия. В природе существуют четыре типа фундаментальных взаимо­действия, действующих между частицами, составляющими вещество, и лежащих в основе всех явлений природы.

Сильное взаимодействие удерживает нук­лоны в атомных ядрах. Взаимодействие короткодейст­вующее (~ 10^–15м) , из-за чего не способно создать объекты макроскопических размеров. Сильным взаимо­действием обусловлен α-распад ядер. Процессы, в которых проявляются сильные взаимодействия, протекают очень быстро.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле. Оно слабее сильного, но является дальнодействующим, из-за чего часто оказывает наиболь­шее влияние. В ядерных реакциях эти силы вы­зывают разлет осколков, образующихся при делении атомных ядер. Электромагнитным взаи­модействием обусловлен γ-распад ядер. Силы этого взаимодействия отвечают почти за все физические явления, наблюдаемые в по­вседневной жизни. Особенностью данного взаи­модействия является то, что оно осуществля­ется только между заряженными телами.

Слабое взаимодействие намного меньше сильного и электромагнитного. Оно проявляется в сущест­вовании определенных типов радиоактивного распада, например, β-распада. Многие час­тицы были бы стабильны, если бы не было сла­бых взаимодействий. Процессы, протекающие благодаря слабым взаимодействиям, происхо­дят в течение большего времени, чем процессы сильного и электромагнитного взаимодействий, и называются медленными. Слабое взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях (~10 ^–18м) .

Гравитационное взаимодействие явля­ется самым слабым. Оно универсальное и дальнодействующее. Реально это взаимодействие проявляется только в космических масштабах, а на взаимодействие элементарных частиц влияния не оказывает.

Фундаментальные взаимодействия переносят­ся частицами, называемыми переносчиками взаи­модействий. Согласно соотношению неопределенностей возможно возникновение т.н. виртуальных частиц-переносчиков взаимодействия с энергией ∆E на время порядка ∆t~ ћ/∆E=ћ/∆mc² . Энергия на создание этой частицы массой ∆m берется «взаймы» из физического вакуума на время ∆t. Масса этой частицы определяет радиус действия данного типа сил: R=c·∆t=ћ/∆mc. Схема взаимодействия такова: физический объект испускает частицы-перенос­чики, которые поглощаются другим физическим объектом. Благодаря этому объекты испытывают взаимное влияние, проявляющееся в изменении энергии, характера движения и др.