2. Энергия связи ядер

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. Плотность ядерного вещества 10¹⁷ кг/м³. Массу ядер определяют с помощью масс-спектрометров – приборов, разделяющих пучки заряженных частиц с помощью электрических и магнитных полей. Эти измерения показывают, что масса любого ядра m_я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

(1)

Разность масс называется дефектом массы.

По дефекту массы можно определить с помощью формулы Эйнштейна E = mc² энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра E_св:

(2)

Рис. 3. Удельная энергия связи ядер

Пример. Энергия связи ядра гелия : m_я = 4,00260 а. е. м.; 2m_p + 2m_n = 4, 03298 а. е. м.; Δm = 0,03038 а. е. м.; E_св = Δmc² = 28,3 МэВ. Для 1 г гелия это энергия 10¹² Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля.

Удельную энергию связи относят к одному нуклону. Для ядра гелия 7,1 МэВ/нуклон.

В случае стабильных легких ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N ока­зы­ва­ются одинаковыми (,,). Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. Наиболее устойчивыми с энергети­ческой точки зрения являются ядра элементов средней части таблицы Менделеева.

Наиболее устойчивы магические ядра с числом протонов 2(He), 8(O₂), 20(Ca), 28(Ni), 50(Sn), 82(Pb). Из них дважды магические ядра:

, , , , .

Существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях:

1) деление тяжелых ядер на более легкие (ядерная реакция деления)  при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0,9 МэВ/нуклон;

2) слияние легких ядер в более тяжелые (термоядерная реакция синтеза)  при синтезе одного ядра гелия из двух ядер дейтерия выделится энергия, равная 6 МэВ/нуклон.

Синтез легких ядер сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон по сравнению с делением тяжелых ядер.

3. Ядерные силы. Модели ядра

Силы взаимодействия между нуклонами, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания, называются ядерными силами.

С помощью экспериментальных данных по рассеянию нуклонов на ядрах, ядерным превращениям и т. д. доказано, что ядерные силы намного превышают гравитацион­ные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.