20.4. Дефект маси та енергія зв'язку ядра

Енергія зв'язку нуклонів у ядрі виявляється у тому, що для розкладу його на складові нерухомі нуклони потрібно виконати певну роботу. Можна стверджувати, що при утворенні ядра з нерухомих нуклонів, повинна виділитися енергія, що дорівнює роботі розкладу ядра на нуклони. Таким чином під енергією зв'язку нуклонів у ядрі ми будемо розуміти різницю між енергією усіх вільних нуклонів та енергією ядра, утвореного ними. Повну енергію частинки визначають як еквівалент маси m частинок через формулу Ейнштейна Е=m . Тепер для визначення Е знайдемо масу, яку втрачають нуклони при утворенні ядра (її ще називають дефектом маси ядра)

,

де - маса нейтрона, - маса ядра. Якщо до Z протонів та до маси ядра M_я додати Z електронів, то одержимо іншу формулу для дефекту маси ядра

,

де - маса атома водню, - маса атома. Енергія зв'язку тепер запишеться так

Питома енергія зв'язку - енергія зв'язку, що приходиться на один нуклон ядра

.

В середньому  складає 8 МеВ/нуклон (див. ). Максимум  знаходиться в межах масових чисел 28 < A < 138 і становить ~ 8.7 МеВ/нуклон. До таких найбільш стійких ядер відносяться ядра від . З цієї точки зору ядра можуть перетворюватися шляхом ділення важких і злиття легких ядер, коли кінцеве ядро належить до стійкого ряду ядер у вказаному інтервалі масових чисел А. В обох із цих процесів звільняється достатньо велика енергія, яка використовується в ядерній (ділення ядер) та термоядерній (синтез ядер) енергетиці.

20.5. Ядерний магнітний резонанс

Якщо на речовину, що знаходиться у сталому магнітному полі, подіяти змінним електромагнітним випромінюванням у діапазоні радіочастот, то при деяких частотах, а їх називають резонансними, спостерігається різкий резонансний максимум поглинання - атомні ядра збуджуються на ядерних магнітних енергетичних підрівнях. За рахунок просторового квантування моменту імпульсу ядра , у зовнішньому магнітному полі відбувається додаткове розщеплення електронних енергетичних рівнів на підрівні із проміжками , які відповідають енергії електромагнітних хвиль у діапазоні радіочаст.

Вимірювання магнітних моментів ядер проводиться спектроскопічними методами, шляхом аналізу надтонкої структури ліній випромінювання атомів. Під надтонкою структурою спектра розуміють виявлення випромінювання електромагнітних хвиль у достатньо близьких околицях частот електронних переходів атомів. Знаючи величину сталого магнітного поля та, вимірюючи частоти резонансного поглинання, ядерний магнітний резонанс застосовують для вивчення властивостей речовини, вимірювання величини індукції магнітного поля , величини магнітного моменту , ізотопного аналізу і т.п.

20.6. Радіоактивність

Процеси, в яких одні ядра переходять в інші, можуть виникати як спонтанно так й при взаємодії між ядрами та між ядрами й елементарними частинками. Перші з цих процесів називають радіоактивністю, а інші ядерними реакціями. В цих процесах фіксуються такі частинки

• ( ) - електрон,

• ( ) - позитрон (античастинка електрона),

• , - нейтрино (індекси е, ,  - відповідають електронному, мюонному та таонному нейтрино) ,

• - антинейтрино,

• р - протон,

• n-нейтрон,

• (або d) - дейтерій (ізотоп водню з одним нейтроном і протоном),

• (або Т) - тритій (ізотоп водню з двома нейтронами й протоном),

• - ядро атома гелію ( -частинка).

Кожний з радіоактивних розпадів породжує дочірнє ядро у збудженому стані, що позначається зірочкою коло назви ядра . Наступний перехід збудженого ядра у основний стан супроводжується електромагнітним випромінюванням - променів

.

Природна радіоактивність була відкрита в 1896 році французом А.А.Бекерелем. Великий внесок у вивчення радіоактивних речовин зробили нобелівські лауреати П'єр Кюрі та Марія Кюрі-Склодовська (Нобелівські премії з фізики та хімії).

При радіоактивному розпаді ядра найчастіше утворюється знову радіоактивне ядро. Існують декілька сімейств послідовних природних радіоактивних перетворень ядер. У трьох сімействах вихідними є найбільш поширені у природі два ізотопи ядра урану і торію (див. Таблицю). Четверте сімейство породжується штучно створеним ізотопом нептунію.

Сімейство	Вихідне ядро	Кінцеве ядро стабільне
Уран - радій		(свинець)
Уран - актиній		(свинець)
Торій		(свинець)
Нептуній		(вісмут)

Наведемо один із можливих рядів перетворень сімейства уран-радій:

.