4.10. Основные характеристики и состав ядра атома

Атомное ядро состоит из нуклонов: протонов, нейтронов. Число нуклонов в ядре равно массовому числу А. Массовым числом А называется целое число, ближайшее к атомной массе элемента, выраженное в атомных единицах массы. За атомную единицу массы принята 1/12 массы атома углерода С : 1 а.е.м. = 1,66057-10 ^-27 кг. Массы атомов измерены с большой точностью. Число Z протонов в

ядре равно порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Менделеева Д. И. и представляет собой заряд ядра, выраженный в единицах элементарного заряда (заряда электрона). Следовательно, число нейтронов в ядре N=A-Z. Протон, имея заряд, равный, но противоположный электрону, по массе превосходит его во много раз. Согласно теории относительности масса частиц зависит от их скорости движения. Поэтому в качестве характеристики частиц рассматривают их массы покоя. Масса покоя протона т_р= 1,6726∙10^-27 кг. Нейтрон не имеет заряда, а масса покоя т_n = 1,67495∙10^-27 кг. Масса покоя ядра меньше массы покоя нейтрального атома на массу электронов, входящих в состав электронной оболочки атома: M_я = M_a-Zm_e, где т_е - масса электрона. Измерения показали, что масса покоя ядра меньше, чем сумма масс покоя, составляющих его нуклонов. Разность между суммой масс покоя нуклонов и массой покоя ядра назвали дефектом массы ядра m = Zm_p + (A— Z)m_n — М_я.

Ядра, содержащие положительно заряженные протоны и нейтроны, лишенные заряда, представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами существует кулоновское отталкивание. Устойчивость атомных ядер означает, что между нуклонами в ядрах существует определенная связь. Назовем удельной энергией связи нуклона в ядре - физическую величину, равную той работе, которую нужно совершить для удаления данного нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

Полная энергия связи ядра определится величиной работы, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделиться та же энергия, которую необходимо затратить при расщеплении ядра на составляющие его части. Поэтому энергией связи ядра называется разность между суммарной энергией свободных нуклонов, составляющих данное ядро, и их энергией в ядре.

Энергия связи ядра выражается соотношением Е_св =m∙с², где m — дефект массы ядра, с — скорость света в вакууме. В ядерной физике для вычисления энергий применяется атомная единица энергии, соответствующая одной а.е.м. и равная 931,5 МэВ.

Энергия связи в ядрах весьма велика. Она составляет в среднем 8 МэВ на один нуклон в ядре.

Опыты и теоретические расчеты показывают, что энергия связи Е_св, ядра главным образом зависит от общего числа частиц в ядре и в меньшей степени -- от соотношения в ядре числа протонов и нейтронов. Наиболее прочно связаны нуклоны в ядрах средней части. Периодической системы Менделеева, приблизительно 28<А<138, т.е. от до, где удельная энергия связи нуклона в ядре Е_св = 8,7 МэВ. В конце Периодической системы Менделеева Е_св = 7,6 МэВ. В области небольших массовых чисел удельная энергия связи обнаруживает характерные максимумы и минимумы. Важными характеристиками ядра являются также его спин, магнитный и электрический моменты.

В первом приближении атомные ядра можно считать сферическими, тогда r = rА^1/3, где А - массовое число; r₀ =1,5 ·10^-15 м.

Из этой формулы следует вывод, о том, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре и плотность ядерного вещества для всех ядер примерно одинакова и очень велика:

Такое большое значение плотности ядерного вещества обусловливает большую интенсивность ядерных сил.

Силы притяжения, действующие между нуклонами в ядре, называются ядерными, а взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия.

Отличительные особенности ядерных сил: короткодействующие; зарядово независимые; не являются центральными силами;

характерно насыщение подобно насыщению сил химической связи ва­лентных электронов атомов в молекуле.

Короткодействие ядерных сил удалось объяснить на основе предположения об обменном характере этих сил. Идея о том, что взаимодействие между частицами может осуществляться благодаря обмену третьей частицы, была впервые высказана в 1934 году И. Е Таммом и Д. Д. Иваненко.

Кванты ядерного поля были обоснованы теоретически в 1935 году X. Юкавой. Ими оказались частицы - мезоны, масса покоя которых примерно в 200 раз больше массы электронов.