Основные характеристики и состав ядра атома

Лекция № 26

Тема: Радиоактивность. Ядро. Естественная и искусственная радиоактивность. Основные характеристики ядра. Состав атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Закон смещения.

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: I 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, выражений 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 т₀ массы покоя. Масса покоя протона m_p=1,67265 ^. 10^-27 кг. Нейтрон не имеет заряда, а масса покоя m_п = 1,67495 ^. 10^-27 кг. Масса покоя ядра меньше массы покоя нейтрального атома, на массу электронов, входящих в состав электронной оболочки атома: М _я = М _а – Z m_e, где m_e – 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 Dm = Z m_p + (A – Z) m_n – M_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 мёжду 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 атомного ядра называется разность между суммарной энергией свободных нуклонов, составляющих дан­ное ядро, и их энергией в ядре.

Энергия связи ядра выражается соотношением E_св = Dm c², где Dm – дефект массы ядра, c – скорость света в вакууме. В ядерной физике для вычисления энергий применяется атомная еди­ница энергии соответствующая одной a.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 Есв 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 < A < 138, т. е. от до , где удельная энергия свя­зи нуклона в ядре DE_св = 8,7 МэВ. В конце Периодической систе­мы Менделеева DE_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 = r₀ , 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:

r = = = 1.8 ^. 10¹⁷ .

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.Короткодейетвие 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 Х. Юкавой.Ими оказались частицы – мезоны, масса покоя ко­торых примерно в 200 раз больше массы электронов.

Дата добавления: 2014-01-07