Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра

Открытие частиц, из которых состоит ядро, поставило перед физиками новую проблему. Какие силы удерживают нуклоны в ядре и не дают им разлетаться, какова природа этих сил? Величина сил тяготения между протонами и нейтронами ничтожно мала, поэтому эти силы не могут обеспечить устойчивое состояние ядра. Кулоновские силы, действующие между протонами ядра, являются силами отталкивания. Очевидно, что в ядрах между нуклонами действуют какие-то другие силы, которые являются силами притяжения и намного превосходят по величине кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами. Эти силы получили название ядерных сил. На сегодня эти силы достаточно хорошо изучены, их относят к классу так называемых сильных взаимодействий.

Энергия связи ядра. Точные масс-спектрометрические измерения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что сумма энергий свободных нуклонов больше энергии исходного ядра. Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны необходимо затратить энергию, равную разности между суммой энергий свободных протонов и нейтронов и энергией ядра. Эта энергия называется энергией связи ядра:

, (19.5)

где m_p m_n, m_я – соответственно массы протона, нейтрона и ядра. В приложении приводятся значения массы m_я различных ядер.

Величина

(19.6)

называется дефектом массы ядра. На эту величину масса атомного ядра меньше массы всех нуклонов, из которых это ядро образуется. Для расчета энергии связи в Мегаэлектронвольтах (в Мэв) пользуются формулой:

(Мэв), (19.7)

где масса всех частиц выражена в атомных единицах массы.

Часто вместо энергии связи рассматривают удельную энергию связиdE_СВ – энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т. е. чем больше dE_СВ, тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового числа А элемента (рис. 17.1). Для легких ядер (A ≤12) удельная энергия связи круто возрастает до 6¸7 МэВ, претерпевая целый ряд скачков (например, для dE_СВ =1,1 МэВ, для – 7,1 МэВ, для –5,3 МэВ), затем более медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ у элементов с А = 50–60 а потом постепенно уменьшается у тяжелых элементов (например, для она составляет 7,6 МэВ). Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняет­ся тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания. Поэтому связь между нуклонами становится менее силь­ной, а сами ядра менее прочными.

Наиболее устойчивыми оказываются так называемые магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20,28, 50 82, 126. Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых магическими являют­ся и число протонов, и число нейтронов (этих ядер насчитывается всего пять: , , , , ).

Из рисунка 17.1 следует, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые. При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в насто­ящее время осуществлены практически: реакции деления и термоядерные реакции синтеза.

Рис. 19.1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

Дата добавления: 2014-01-04