§ 11.2. Физика атомного ядра

Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов (p) и нейтронов (n). Протоны и нейтроны называются нуклонами.

Обозначение	p	п
Заряд Q	+ 1,6·10^-19Кл	0
Масса	1836 те	1839 те

Символ элемента:

,

где Z - зарядовое число ядра, равно числу протонов в ядре; совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе; А - массовое число, равное числу нуклонов в ядре (сумме протонов Z и нейтронов N).

Например: .

Заряд ядра: +Ze.

Поскольку атом нейтрален, заряд ядра определяет и число электронов в атоме.

В ядерной физике различают изотопы, изобары, изотоны:

• изотопы — ядра с одинаковым Z, но разными А;

• изобары — ядра с одинаковым А, но разными Z;

• изотоны — ядра с одинаковым числом нейтронов.

Примеры	Число протонов	Число нейтронов	Число нуклонов
Изотопы
	5 5 5	4 5 6	9 10 11
Изобары
	81 82 83	129 128 127	210 210 210
Изотоны
	6 7 8	7 7 7	13 14 15

§ 11.3.Энергия связи ядра. Дефект массы ядра

Энергия связи ядра — энергия, которую надо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны:

,

где т_р, т_п, т_я — соответственно массы протона, нейтрона и ядра; m_н = m_р+ m_e — масса атома водорода ; m — масса атома.

Удельная энергия связи — энергия связи, отнесенная к одному нуклону:

где А — массовое число; характеризует устойчивость (прочность) ядер: чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро.

Из рис. 11.2 следует, что легкие и тяжелые ядра менее устойчивы.

Энергетически выгодно:

1) деление тяжелых ядер на более легкие;

Легкие ядра

Тяжелые ядра

Массовое число А

0

40

80

120

160

200

240

1

2

3

4

5

6

7

8

9

²H

³He

⁶Li

⁹Be

⁸Be

⁴Нe

¹²С

¹⁶O

⁶⁰Ni

⁹⁶Mo

¹⁴⁴Nd

¹⁸³W

²³⁸U

Рис. 11.2

Легкие ядра

Тяжелые ядра

Массовое число А

0

40

80

120

160

200

240

1

2

3

4

5

6

7

8

9

²H

³He

⁶Li

⁹Be

⁸Be

⁴Нe

¹²С

¹⁶O

⁶⁰Ni

⁹⁶Mo

¹⁴⁴Nd

¹⁸³W

²³⁸U

Рис. 11.2

Дефект массы ядра:

,

где т_p, т_п, т_я — соответственно массы протона, нейтрона и ядра; Z — зарядовое число; А — массовое число.

На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Энергия связи ядра:

.

§ 11.4. Ядерные силы. Модели ядра

Ядерные силы — особые специфические силы, действующие в ядре между нуклонами, относятся к классу сильных взаимодействий.

Модели ядра

• Капельная (1936; Н. Бор, Я.И. Френкель). Первая модель ядра. Основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости.

• Оболочечная (1949—1950; М. Гепперт-Майер, X. Иенсен). Предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра действительно существуют.

• Обобщенная. Синтез капельной и оболочечной моделей.

Основные свойства ядерных сил.

• Являются короткодействующими — их действие проявляется на расстояниях ~10^-15м.

• При увеличении расстояния между нуклонами быстро уменьшаются до нуля.

• При расстояниях, меньших их радиуса действия, примерно в сто раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии.

• Являются силами притяжения.

• Им свойственна зарядовая независимость: ядерные силы одинаковы при действии двух протонов, двух нейтронов или протона и нейтрона.

• Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектростатическую природу.

• Им свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.

• Они не являются центральными, т.е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.