11.2 Энергия связи ядра

Нуклоны ядер находятся в состояниях существенно отличающихся от их свободных состояний. Это связанно с тем, что во всех ядрах, за исключением водорода, имеется, по крайней мере, не менее двух нуклонов, между которыми осуществляется особый вид взаимодействия, называемый сильным. Сильное взаимодействие приводит к существованию ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Для того чтобы отделить от ядра один нуклон, необходимо сообщить ему дополнительную порцию энергии, т.е. совершить работу. Энергию, равную работе по отделению от ядра одного нуклона, называют энергией связи нуклона. Суммарная энергия связи нуклонов определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить его на составляющие. Эту энергию принято называть энергией связи ядра. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться энергия, равная энергии связи ядра. Следовательно, энергия связи определяется как разность суммарной энергии нуклонов в свободном и связанном состоянии.

Исследование масс ядер показывает, что их массы всегда меньше суммарной массы свободных нуклонов, входящих в него. Уменьшение суммарной массы нуклонов при образовании из них ядер можно объяснить выделением энергии связи. Действительно, полная энергия частицы связана с ее массой соотношением W = mc². Так как c – величина постоянная, то изменение энергии должно быть связано с изменением массы

. (11.2.1)

Если ядро массой M образовано из Z протонов с массой m_p и (A – Z) нейтронов с массой m_n, то

. (11.2.2)

Величину m называют дефектом масс.

В ядерной физике для вычисления энергии связи используют специальную величину, которую называют атомной единицей энергии (а.е.э). А.е.э – это энергия, приходящаяся на одну атомную единицу массы покоящейся частицы

1 а.е.э. = 1 а.е.м.с²  1,4910 ^–10 Дж  931 МэВ. (11.2.3)

Прочная связь, существующая между нуклонами ядра, свидетельствует о наличии особого вида ядерных сил. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показали, что ядерные силы действуют лишь на расстояниях ~ 10 ^–15 м между нуклонами. Для ядерных сил характерно то, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с ближайшими соседями. И, наконец, ядерные силы не являются центральными, т.е. направление действия этих сил не совпадает с прямой, проведенной через центры нуклонов.

Короткодействующий характер сил удалось объяснить на основе предположения об обменном характере взаимодействия. В современном представлении обменной теории ядерных сил предполагается, что взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется путем обмена особыми частицами – -мезонами.

Отсутствие точных знаний о характере ядерных сил притяжения между нуклонами заставило ученых предлагать модели, имеющие аналогии с уже существующими. Первая модель ядра была предложена Яковом Ильичем Френкелем (1894-1952), она называется капельной моделью. В рамках этой модели проводится аналогия между ядром и каплей жидкости. Как и в ядре, силы взаимодействия молекул жидкости внутри капли быстро убывают с расстоянием. Кроме того, молекулы жидкости образуют так называемые "ложные ядра". Взаимодействие между молекулами внутри ложного ядра гораздо сильней, чем с остальными молекулами. И, наконец, и в том и в другом случае наблюдается относительная подвижность составляющих.

Другой известной моделью ядра стала оболочечная модель. Согласно данной модели нуклоны внутри ядра движутся почти независимо в поле, созданном этими же нуклонами. При этом нуклоны в ядре находятся в определенных энергетических состояниях, характеризуемых индивидуальными квантовыми числами. Другими словами, нуклоны в ядрах образуют определенные оболочки и подоболочки как электроны в атоме.