Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку

12.10.2015

Будову атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія зв’язку

Як вже було сказано в підрозділі 9.3, атомне ядро – центральна маленька, масивна, позитивно заряджена частина атома, навколо якого рухаються електрони. Атомні ядра елемента з порядковим номером Z в таблиці Менделєєва мають заряд Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. де e =1.6·10 -19 Кл – так званий елементарний заряд. Навколо ядра в такому атомі рухаються Z електронів, загальний заряд яких Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
компенсує заряд ядра, і в цілому атом электронейтрален.

Розміри атома

10 -10 м, а розміри ядра

10 -15 м, тобто ядро приблизно в 100 000 разів менше атома. Однак маса ядра в кілька тисяч разів більше сумарної маси електронів, які рухаються навколо ядра.

Атомне ядро складається з протонів і нейтронів, які вважають двома зарядовыми формами ядерних частинок — нуклонів (від лат. nucleus – ядро). Протонно-нейтронну модель запропонував у 1932 р. Д. Д. Іваненко (сов.), згодом розвинув Ст. Гейзенберг.

В ядерній фізиці для вимірювання мас широко використовується атомна одиниця маси (а.е.м.): 1 а.е.м.=1.66·10 -27 кг Маси протона і нейтрона дуже близькі: Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
1.00728 а.е.м. Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
1.00867 а.е.м. У багатьох випадках можна вважати, що Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
1 а.е.м.

Спін частинок в ядерної фізики і фізики елементарних частинок прийнято характеризувати спіновою квантовим числом J. визначальним чисельне значення спина – власного моменту імпульсу частинки. Число J подібно орбітальному квантовому числу l. введеному в підрозділі 9.3, але може бути як цілочисельним(0, 1, 2, …), так і напівцілим (1/2, 3/2, …). При заданому значенні числа J магнітне спін квантове число Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
може приймати значення від Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
до J з кроком 1. Для протонів і нейтронів Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
1/2, тобто вони відносяться до класу фермионов.

Відрізняються протони і нейтрони своїм електричним зарядом: Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
.

Умовне позначення атомних ядер виглядає так: Z XA. де X — позначення елемента, Z – зарядове число, яке вказує:

— порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва Д. І.;

— заряд ядра, виражений в елементарних зарядів;

— кількість протонів у ядрі;

— кількість електронів, що рухаються навколо ядра в атомі;

A – масове число, яке вказує:

— округлену масу ядра, виражену в а.е.м.;

— загальна кількість нуклонів у ядрі.

По позначенню ядра легко визначити його склад:

— кількість протонів Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
;

— кількість нейтронів Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
.

Наприклад, ядро алюмінію 13 Al містить 27 Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
протонів і Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
нейтронів.

Ізотопами називаються різновиди одного елемента, у яких ядра атомів мають однакове число протонів, але різну кількість нейтронів. Приклад — три ізотопи водню:

— звичайний водень (протій); його ядро 1 H 1 не містить нейтронів і фактично є поодиноким протоном Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
;

— важкий водень (дейтерій, водень-2) 1 H 2. позначається також 1 D 2 ; його ядро, складається з одного протона і одного нейтрона;

— надважкий водень (тритій, водень-3) 1 H 3. позначається також 1 T 3 ; його ядро, складається з одного протона і двох нейтронів.

Атоми всіх ізотопів одного елемента містять однакове число Z електронів. Оскільки хімічні властивості атома визначаються числом електронів, то в хімічному відношенні всі ізотопи одного елемента фактично однакові. Фізичні властивості ізотопів різні. Наприклад, у звичайної води H2 O молярна маса дорівнює 1·2+16=18 г/моль, у важкої води D2 O- 2·2+16=20 г/моль, а у надважкій води T2 O – 22 г/моль. Крім того, ядра звичайного і важкого водню стабільні, а тритій — радіоактивний ізотоп і його ядра досить швидко розпадаються. У природі він утворюється як продукт опромінення атмосферного водню космічними променями. При розпаді тритій випускає електрон, перетворюючись у гелій-3, стабільний, але досить рідкий ізотоп гелію.

Здавалося б, атомні ядра, що містять кілька нуклонів, повинні стрімко розпадатися, так як однойменно заряджені протони відштовхуються, а на нейтрони електричні сили не діють. Гравітаційне притягання нуклонів занадто мало, щоб утримувати їх в ядрі. Зараз загальновизнано, що стійкість ядер пояснюється тим, що між нуклонами існує особливе, так зване сильне або ядерна, взаємодія, в результаті чого виникають між нуклонами ядерні сили притягання, що врівноважують сили електричного відштовхування протонів.

Деякі властивості сильної взаємодії:

— воно здійснюється лише на дуже малих відстанях (радіус дії ядерних сил

10 -15 м), тому не проявляється в макросвіті;

— ядерні сили – сили тяжіння (в цьому відношенні сильна взаємодія аналогічно гравітаційному і відрізняється від електричного, при якому можливо як тяжіння, так і відштовхування);

— воно не залежить від того, які нуклони взаємодіють (протони або нейтрони);

— сильне взаємодія можлива лише між деякими частками, званими адронами. Наприклад, протони і нейтрони – адрони, а електрони – не адрони і до сильної взаємодії не здатні;

— сильна взаємодія є новим типом взаємодії матеріальних об’єктів і не зводиться до раніше відомим основі гравітаційного та електромагнітного взаємодій.

Розглянемо уявний експеримент з утворення ядра Z XA Z протонів і Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
нейтронів (див. малюнок 10.1). Поки ці нуклони були досить віддалені один від одного, їх взаємодією можна було знехтувати і вважати потенційну енергію системи нуклонів Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. Будемо вважати, що кінетична енергія цих нуклонів пренебрежимо мала. Загальна маса системи становила Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
(тут треба враховувати, що маса протона трохи відрізняється від маси нейтрона).

Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку

Малюнок 10.1 – Освіта атомного ядра з окремих нуклонів.

При зближенні нуклонів між протонами виникне кулонівське відштовхування, але якщо якимось чином зблизити нуклони на відстань

10 -15 м, то між ними виникнуть ядерні сили притягання, значно переважаючі сили відштовхування, і утворюється стійке ядро. Потенційна енергія сильної взаємодії нуклонів у ядрі Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
і, що дуже важливо, ця енергія негативна, тобто при утворенні ядра з окремих нуклонів потенційна енергія системи нуклонів зменшується (порівняно малою енергією електричного відштовхування при цьому, можна знехтувати). Як зазначалося в підрозділі 6.3, заперечність потенційної енергії системи притягивающихся частинок означає, що при переході цієї системи в стан з нульовою потенційною енергією, тобто при поділі ядра на окремі нуклони ядерні сили тяжіння здійснюють негативну роботу. Інакше кажучи, для поділу ядра на окремі нуклони енергію системи потрібно збільшити, а для цього повинні зробити роботу зовнішні сили. В цьому відношенні атомне ядро подібно не бетону, який лежить на горі, а бетону, який лежить на дні колодязя. Сила тяжіння каменю до Землі прагне скачати його з гори на поверхню Землі (перемістити до положення з нульовою потенційною енергією) і зробити при цьому позитивну роботу. Але для підйому каменю з дна колодязя позитивну роботу повинні зробити якісь зовнішні сили.

У відповідності з формулою Ейнштейна (3.13) Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. зв’язує в теорії відносності масу тіла з його енергією, зменшення енергії системи нуклонів при утворенні ядра означає й зменшення маси цієї системи. Дуже точні вимірювання мас атомних ядер підтвердили, що маса ядра менше сумарної маси утворюють його нуклонів. Дефект маси Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
показує, на скільки маса ядра Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
менше сумарної маси утворюють його окремих нуклонів:

Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. (10.1)

Енергією зв’язку Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
атомного ядра називається енергія, яку необхідно затратити для поділу атомного ядра на окремі нерухомі нуклони (тобто без повідомлення їм кінетичної енергії). Ясно, що енергія зв’язку дорівнює по модулю і протилежна за знаком потенційної енергії ядра:

Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. (10.2)

Як випливає з формули Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. енергія зв’язку і дефект маси ядра залежать один від одного:

Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. (10.3)

В ядерній фізиці для вимірювання енергії широко використовується позасистемна одиниця – мегаелектронвольт (Мев): 1 Мев = 10 6 ев = 1.6·10 -13 Дж. Якщо дефект мас виражати в а.е.м. а енергію зв’язку – в мегаэлектронвольтах, то формула (10.3) прийме вигляд:

Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. (10.4)

Міцність ядра характеризує питома енергія зв’язку Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. тобто енергія зв’язку, яка припадає на один нуклон:

Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. (10.5)

Цю величину прийнято виражати в Мев/нуклон.

На малюнку 10.2 зображений графік експериментально отриманої залежності питомої енергії зв’язку ядер від числа нуклонів у цих ядрах.

Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку

Рисунок 10.2 – Залежність питомої енергії зв’язку атомних ядер від числа нуклонів у ядрі.

З малюнка 10.2 випливає, що для легких ядер при збільшенні числа нуклонів питома енергія зв’язку має тенденцію до швидкого зростання, хоча залежність Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
і немонотонна. Найбільш міцними є ядра з масовими числами в межах від 28 до 138, тобто ядра елементів від кремнію 14 Si 28 до барію 56 Ba 138. Для них питома енергія зв’язку Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
8.7 Мев/нуклон. У цих ядрах потенційна енергія взаємодії в розрахунку на один нуклон найбільш негативна. При подальшому збільшенні числа нуклонів проявляється тенденція до поступового зниження Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
. Для важких ядер типу ядра урану Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
зменшується до Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія звязку
Мев/нуклон.

З цієї залежності випливає, що при поділі важких ядер і злиття (синтез) легких потенційна енергія виникають ядер з середини таблиці Менделєєва менше потенційної енергії вихідних. За законом збереження енергії це зменшення потенційної енергії веде до збільшення кінетичної енергії хаотичного руху ядер, що виникають в результаті зазначених процесів, тобто до виділення теплової енергії. На цьому засновані ядерна та термоядерна енергетики, про що йтиметься у підрозділі 10.3.

Короткий опис статті: будову атомного ядра

Джерело: Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. Енергія зв’язку

Також ви можете прочитати