<<
>>

4.1. Ядро атома, его характеристики

Остановимся сначала на некоторых экспериментальных фактов, которые позволят нам составить представление об атомном ядре, достаточное для того, чтобы понять то внимание, которое к нему в настоящее время проявляет всё человечество.

Ядро атома было обнаружено в опытах Резерфорда (см. параграф 2.1 настоящего пособия) по обстрелу тонкой фольги быстро летящими частицами. В этих опытах Резерфорд установил две важнейшие характеристики ядра: его размеры и заряд. Ядро имеет размеры порядка 10–15 м, заряд его положителен и всегда равен целому числу Z элементарных зарядов: qя = Ze, где Z — порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева. Порядковый номер элемента указывается рядом с химическим символом в виде нижнего индекса.

Масса ядра, как это принято в атомной и ядерной физике, выражается в атомных единицах массы — а.е.м. Напоминаем, что за атомную единицу массы принята двенадцатая часть массы атома углерода: mа.е.м. = = 1,66?10–27 кг. Массы атомов всех химических элементов определены экспериментально на масс-спектрографах, описание принципа действия которых можно найти во второй части нашего курса лекций [16]. Значения этих масс приведены в таблицах с большой точностью — до шести и более значащих цифр. Например, масса атома водорода 1Н1 равна 1,00783 а.е.м., атома гелия 2Не4 — 4,00260 а.е.м. Масса ядра меньше массы атома на суммарную массу всех его электронов. Целая часть числа, выражающего относительную массу атома (или массу ядра) называется массовым числом, и именно оно указывается возле символа элемента в виде верхнего индекса: 92U235, 88Ra226, 3Li7 и др.

Хорошо известно, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, масса которых приблизительно одинакова и близка к одной а.е.м.

Поэтому протоны и нейтроны вместе определяют массу ядра, и массовое число равно их общему количеству в ядре. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны, что в переводе означает "ядерные частицы". Поскольку заряжены только протоны, их число равно порядковому номеру, а число N нейтронов мы получим, как разность общего числа А нуклонов и числа Z протонов.

Анализируя таблицу Менделеева, можно заметить, что в её начале число протонов в ядре равно числу нейтронов. Постепенно нейтронов становится больше, чем протонов, и к концу периодической системы число нейтронов существенно превышает число протонов (рис. 4.1). Например, в ядре урана нейтронов почти в полтора раза больше, чем протонов. Очевидно, что при равенстве числа нейтронов и числа протонов кривая N = A – Z на рис. 4.1 была бы прямой, показанной пунктиром. Этот, казалось бы, не очень существенный факт приводит, в конечном итоге, к возможности использования ядерной энергии.

Попытаемся теперь на основе полученных в третьем разделе знаний оценить величину этой энергии. Ядро является наиболее стабильным образованием из всех известных: действительно, атом при нагревании теряет свои электроны под действием тепловых ударов, происходит его ионизация. Любая химическая реакция тоже связана с перестройкой электронной оболочки: атомы, образуя молекулы, обмениваются своими электронами. Ядро же всегда, при любой химической реакции сохраняется неизменным. Это означает, что частицы внутри ядра сильно связаны между собой, и чтобы освободить их, нужно затратить гораздо больше энергии, чем для ионизации атома. Иначе говоря, ядро является очень глубокой потенциальной ямой для составляющих его частиц — нуклонов.

Используя выражение (3.49) для энергии частицы в потенциальном ящике, подставив в него значения массы нуклона и приняв за ширину ямы диаметр ядра, получим, что энергия частицы, находящейся в ядре, имеет величину порядка миллиона электрон-вольт, т.е.

в сотни тысяч раз больше той энергии, которой обладает электрон в атоме. (Заметим, что энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, есть энергия химической реакции, связанной с перестройкой электронной оболочки). Такой же порядок величины энергии даст нам и соотношение неопределённостей (3.20), если за Δx принять размеры ядра, а из неопределённости по импульсу найти неопределённость в определении энергии. Эти же два соотношения позволяют убедиться, что энергия частиц внутри ядра квантована.

Нуклоны в ядре упакованы плотно, так как при обстреле ядра быстро летящими частицами установлено, что они не пролетают через ядро насквозь, как это наблюдалось при обстреле атомов. Любая частица, попав в ядро, застревает в нём, приводя его в возбуждённое состояние. При этом ядро может испустить частицу, но это будет уже совсем не та частица, которой его обстреляли.

Частицы внутри ядра удерживаются ядерными силами, которые проявляются лишь на расстояниях, имеющих порядок 10–15 м. С увеличением расстояния величина ядерных сил быстро убывает. Если расстояние между протонами больше 5?10–15 м, начинают преобладать электростатические силы, которые на меньших расстояниях значительно слабее ядерных, удерживающих вместе отталкивающиеся протоны. По современной теории эти силы обеспечиваются существующим внутри ядра полем, квантом которого является мезон — нестабильная частица, имеющая массу покоя, равную примерно 270 массам электрона (напомним, что масса нуклона составляет ~ 2000 масс электрона). Масса покоя фотона, как мы знаем, равна нулю, а фотон является квантом электромагнитного поля и обеспечивает электромагнитное взаимодействие между зарядами. Мезон, благодаря своей большой массе, способен обеспечить существенно более сильное взаимодействие, чем электростатическое, но только на очень малом расстоянии между частицами.

Конкретный закон изменения ядерных сил с расстоянием неизвестен. Поэтому ядерное взаимодействие вместо силы принято характеризовать энергией взаимодействия частиц в ядре, которую принято называть энергией связи.

Энергия связи находится по дефекту масс Δm: сопоставление массы ядра с суммой масс частиц, его составляющих, привело к выводу, что они не равны. Сумма масс удалённых друг от друга ядерных частиц — нуклонов — всегда больше массы ядра, если проверять закон сохранения массы с той точностью (по меньшей мере, до шести значащих цифр), которую позволяет нам эксперимент. Это нарушение известного со времён М.В. Ломоносова закона сохранения массы объясняется тем, что внутри ядра проявляется более общий закон: закон сохранения массы и энергии. При образовании ядра часть массы частиц, принимающих участие в процессе, идёт на создание энергии связи, которая определяется по формуле Эйнштейна:
Есв = c2Δm, (4.1)

где Δm — дефект масс, который находится, как разность суммарной массы нуклонов и массы ядра:

Δm = [Zmp + (A – Z)mn] – mя. (4.2)

Здесь тр — масса протона; тп — масса нейтрона; тя — масса ядра. По этой формуле определяется величина энергии связи, которая положительна. Она выделилась в момент образования ядра. Соответственно на эту величину уменьшилась энергия частиц, когда они сконденсировались в ядро. Если энергия Е взаимодействия частиц до их слияния была равна нулю, то в ядре она отрицательна. Следовательно, энергия взаимодействия протонов и нейтронов в ядре равна энергии связи (4.1), взятой с обратным знаком: Е = – Есв. Индивидуальной характеристикой ядра оказывается не вся энергия Е, а удельная энергия

, (4.3)

приходящаяся на один нуклон, и характеризующая прочность, устойчивость ядра. На рис. 4.2 приведён сглаженный экспериментальный график зависимости удельной энергии от массового числа, из которого следует, что лёгкие ядра обладают большей удельной энергией, чем тяжёлые и особенно средние ядра. После абсолютного минимума при А » 60 удельная энергия начинает слабо расти с увеличением массы ядра. Следует обратить внимание на знак энергии: как и положено энергии сил притяжения, она отрицательна. Об этом шла речь в первой части курса лекций [15]. Самые прочные ядра (с наибольшей величиной удельной энергии связи) имеют массу около 60 а.е.м.

Мы уделяем такое внимание обсуждению наблюдаемой закономерности по­тому, что это весьма важно для понимания того, что существует всего две возможности по­лучения ядерной энергии:

1) образова­ние более тяжёлых элементов из лёгких путём слияния ядер;

2) образование более лёгких элементов из тяжёлых путём деления их ядер.

То есть обе возможности выделения внутриядерной энергии связаны с переходом элементов с приподнятых ветвей кривой рис. 4.2 к её сере­дине.

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 4.1. Ядро атома, его характеристики:

  1. 4. Социальное управление и его виды
  2. § 1. Начало производства в суде надзорной инстанции и его этапы
  3. § 1. История института проверки судебных постановлений в порядке надзора и его значение
  4. 48. Содержание договора перевозки грузов. Ответственность сторон за его ненадлежащее исполнение.
  5. Глава II. Порядок производства в суде надзорной инстанции и проблемы его совершенствования
  6. Глава I. Полномочия суда места вынесения арбитражного решения на его отмену и ее значение
  7. § 2. Последствия исключения отмены арбитражного решения из перечня оснований для отказа в его признании и приведении в исполнение
  8. Корсун Роман Владимирович. Правовой институт государственной тайны и его отражение в законодательстве государств, входящих в СНГ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук. Москва - 2007, 2007
  9. Характеристика порошка Cu
  10. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  11. основные характеристики используемых наноразмерных порошков
  12. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  13. Характеристики порошка аморфного бора
  14. Взаимосвязь интегральных физических характеристик пластинок с коэффициентом формы
  15. Характеристика порошка Ni
  16. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  17. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  18. 1. Производство по делам об административных правонарушениях: общая характеристика