Свойства ядерных сил

§2. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер

Большинство ядер представляют собой устойчивые образо­вания, хотя между протонами, входящими в состав ядра, дейст­вуют силы кулоновского отталкивания.

Устойчивость атомных ядер означает, что между нуклонами в ядрах существует определенное взаимодействие. О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или трудно разрушить его: чем труднее его разрушить, тем оно проч­нее. Разрушить ядро — это значит разорвать связи между его нуклонами, или, иными словами, совершить работу против сил связи между ними. Такой подход, основанный на законе сохра­нения энергии, позволяет сделать ряд важных выводов о специ­фике тех связей, которые удерживают нуклоны в ядре.

Удельная энергия связи Е_УД — это физическая величи­на, равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра.

Полная энергия связи ядра определяется работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны. Из закона сохранения энергии следует, что при образо­вании ядра выделяется энергия, необходимая для расщепления ядра на составляющие его нуклоны.

Полную энергию связи ядра характеризует величина m, называемая дефектом массы.

Под дефектом массы понимают разность между суммой масс протонов и нейтронов, находящихся в свободном состоя­нии, и массой составленного из них ядра. Если ядро с массой М_Я образовано из Z протонов с массой т_p каждый и из (А - Z) ней­тронов с массой т_n каждый, то

 т = Z т_p + (А - Z) т_n – М_я.

Наличие дефекта массы показывает, что для полного расще­пления ядра на составляющие его нуклоны (протоны и нейтро­ны) необходимо затратить энергию

Е _св =  тс².

Величину Е _св называют энергией связи (полной энергией свя­зи). Она является непосредственной мерой устойчивости ядра.

В ядерной физике для вычисления энергии применяют атомную единицу энергии (а.е.э.) — величину, соответст­вующую энергии одной атомной единицы массы: 1 а.е.э. = 1 с² • 1 а.е.м. = 910¹⁶ м²/с² • 1,6710^-27 кг = 1,510^-10 Дж = = 931,1 МэВ.

Удельная энергия связи — это энергия, приходящаяся на один нуклон:

Е_уд=Е_св/А.

Удельная энергия связи весьма велика. Она составляет в среднем около 8 МэВ на один нуклон.

На рисунке 26 приве­дена кривая зависимо­сти удельной энергии связи от массового числа А. Из рисунка видно, что значение Е_уд у различных ядер различно.

Рис. 26

Наиболее прочно связаны нуклоны в яд­рах средней части Пе­риодической системы Менделеева. В этих ядрах удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ. По мере даль­нейшего увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает. Для ядер, расположенных в конце периодической системы (например, для урана), Е_уд приблизительно составляет 7,6 Мэв.

Для получения ядерной энергии принципиально возможны два метода. Один основан на делении тяжелых ядер, второй – на синтезе легких.

§3. Радиоактивность

Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами притяжения, может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Эти превращения сопровождаются , , и  излучениями.

Подчеркнем, что радиоактивное излучение испускается атомными ядрами, а не их электронными оболочками. Для -излучения это очевидно, поскольку электронная оболочка не содержит протонов и нейтронов (образующих -частицу); для -излучения это следует из того факта, что оно не зависит (не изменяется) от каких бы то ни было воздействий на электронные оболочки радиоактивных атомов. Бета-частицы не входят в состав ядра, но возникают в нем в про­цессе ядерного распада (благодаря превращениям нейтронов в про­тоны).  и  распады обычно сопровождаются -излучением, которое представляет собой поток фотонов, имеющих очень высокую частоту – порядка – 10²⁰ Гц, что соответствует очень короткой длине волны – порядка 10^-12 м. Энергия  - фотонов имеет порядок 1 Мэв.

Очевидно, что радиоактивное излучение ведет к превращению атомов излучающего элемента в атомы другого элемента.

При испускании (^--частицы заряд ядра увеличивается на еди­ницу, а масса практически не изменяется (ввиду малости массы ^--частицы). Следовательно, по мере ^--распада радиоактивный эле­мент превращается в другой элемент с атомным номером, на едини­цу большим, и с тем же массовым числом. Иначе говоря, при ^--распаде элемент смещается в периодической системе на один номер вправо без изменения массового числа.

Символически это смещение записывается так:

Например,

При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число — на 4 единицы. Следовательно, при -распаде элемент смещается в периодической системе на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре единицы:

Например,

Указанные правила, определяющие смещение радиоактивного элемента в периодической системе, называют законами смещения.