Характеристики атомного ядра

1. Электрический зарядядра.РавенZ·e, гдеe– величина заряда протона,Z– число протонов в ядре или зарядовое число. Оно равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Д.И.Менделеева.

В настоящее время известны ядра со значениями зарядового числа

от Z= 1 доZ= 107.

2. Массовое число A.Равно числу нуклонов в ядре:A= Z + N.ЗдесьN– число нейтронов.

Для обозначения ядер используются символы: или.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но различными массовыми числами А называютсяизотопами.Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами.

Пример. Водород имеет 3 изотопа:

- протий;

- дейтерий;

- тритий.

Ядра с одинаковыми массовыми числами А, но различными зарядовыми числамиZназываютсяизобарами. Изобары – это ядра различных химических элементов.

3.Размеры атомных ядер.Составляют величину 10^-14- 10^-15м. Для сравнения: размеры атома ~ 10^-10м. В ядерной физике используется единица длины, называемаяферми: 1Ф=10^-15м.

Как и любая квантовая система атомное ядро не имеет четко определенных границ. Эксперименты по рассеиванию электронов и нуклонов на ядрах позволили установить следующее. В каждом ядре можно выделить внутреннюю область, в которой плотность ядерного вещества постоянна, и поверхностный слой, в котором плотность падает до нуля. Распределение плотности ядерного вещества в зависимости от расстояния до центра ядра имеет вид, приведённый на рисунке .

Для радиуса ядра существует эмпирическая формула: , где

R₀=(1,3 1,7) Ф. Из формулы следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Это означает, что плотность ядерного вещества во всех ядрах примерно одинакова. Она составляет величину210¹⁷кг/м³.

4. Спин ядра(или собственный момент импульса) складывается из спинов входящих в ядро нуклонов.

Спин нуклона S = ,поэтому спиновое квантовое число ядраIможет принимать либо целые значения:I = 1, 2…(если число нуклонов в ядре четное), либо полуцелыеI =,,…(если число нуклонов нечетное). Результирующий спин ядра не превышает обычно несколько единиц, хотя число нуклонов в ядре может быть велико. Причина этого явления заключается в том, что спины нуклонов компенсируют друг друга, т.к. расположены антипараллельно ().

5. Масса и энергия связи ядер. Нуклоны в ядрах находятся в состояниях существенно отличающихся от их свободных состояний. Между ними существует особое ядерное (или сильное) взаимодействиепритяжение. Это взаимодействие обуславливает устойчивость ядер, несмотря на электростатическое отталкивание протонов.

Масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него нуклонов. Причина этого заключается в том, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связинуклонов друг с другом.

Энергия связи равна работе, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии.

Энергия связи находится по формуле:

(4)

В этом выражении величина называетсядефектом масс,она равна разности между суммарной массой всех нуклонов и массой ядра:

(5)

При практических расчетах вместо масс ядер пользуются массами атомов и энергию связи вычисляют по формуле:

(6)

Для расчета энергии связи поступают следующим образом:

• В справочнике находят значения масс в атомных единицах массы (а.е.м.)

• Находят дефект масс по формуле :

в а.е.м.

• Находят энергию связи в мегаэлектронвольтах (МэВ) по формуле: .(7)

Энергия связи, приходящая на один нуклон называется удельной энергией связи:

.(8)

Зависимость удельной энергии связи от массового числа имеет вид кривой с максимумом, приведённый на рисунке 2. Из этой зависимости следует, что максимальная удельная энергия связи приходится на массовые числа 5060 ( т.е. для элементов от Сr до Zn ). Она достигает 8,7 МэВ/нуклон. С ростом и уменьшением массового числа удельная энергия связи уменьшается. Такая зависимость делает энергетически возможным протекание двух видов процессов.

1. Деление тяжелых ядер на более лёгкие.

Расчёт показывает, что деление ядра с массовым числом А=240 (Е_{св. уд}= 7,5 МэВ) на два ядра с массовыми числами А=120 (Е_{св. уд}= 8,5 МэВ) привело бы к высвобождению энергии, равной

Е = (2  120  8,5 – 240  7,5) = 240 МэВ

2. Слияние (синтез) легких ядер в одно более тяжёлое ядро.

Например, слияние двух ядер тяжелого водорода в ядро гелияпривело бы к выделению энергии24 МэВ.

Для сравнения: при реакции С + О₂  СО₂(сгорание угля) выделяется энергия 5 эВ.

Итак, ядра со значениями А=50÷60 являются наиболее устойчивыми.

Почему же другие ядра также стабильны? Причина заключается в следующем. Для деления тяжёлого ядра на более легкие он должно пройти несколько промежуточных состояний. Их энергия превышает энергию основного состояния ядра. Поэтому для процесса деления ядра требуется дополнительная энергия (энергия активации). В обычных условиях ядра не получают эту энергию – спонтанного деления не происходит. Энергия активации может быть сообщена тяжёлому ядру путём захвата им нейтрона. Процесс деления ядер урана или плутонияпод действием нейтронов лежит в основе работы ядерного реактора и атомной бомбы.

Для слияния лёгких ядер в одно ядро они должны приблизиться друг к другу на расстояние ≈10^-15м.Такому сближению препятствуют кулоновские силы отталкивания. Чтобы преодолеть это отталкивание, ядра должны двигаться с огромными скоростями, соответствующими температуреТ≈10⁹К.

Процесс синтеза лёгких ядер называется термоядерной реакцией.Такая реакция протекает в недрах звёзд и Солнца, а также при взрывах водородных бомб.