Строение атомного ядра. Радиоактивность. Ядерные реакции. Элементарные частицы

Строение атомного ядра

Открыв атомное ядро, Резерфорд решил выяснить: является ли оно тоже составным? Для этого он снова использовал быстрые \alpha -частицы. Оказалось, что при бомбардировке \alpha -частицами атомов азота из них вылетают какие-то новые заряженные частицы.

Исследуя действие на эти частицы электрических и магнитных полей, установили, что данные частицы имеют положительный заряд, равный элементарному, а их масса равна массе самого лёгкого изотопа водорода - протия. Резерфорд назвал их протонами.

Протоны были обнаружены и при бомбардировке \alpha -частицами и других элементов. На основании этих опытов было сделано заключение, что ядра всех элементов содержат протоны.

Количество Z протонов в ядре называют зарядовым числом. Зарядовое число ядра атома равно порядковому номеру соответствующего этому атому химического элемента в Таблице Д. И. Менделеева. Заряд ядра равен произведению зарядового числа на модуль элементарного заряда: \boldsymbol{q=Ze} .

Например, в ядре атома железа { }_{26}^{56} \mathrm{Fe} содержится 26 протонов. Значит заряд ядра q=26 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19} Кл =4,16 \cdot 10^{-18} Кл.

В ядре атома гелия { }_{2}^{4} \mathrm{He} содержится 2 протона. Значит заряд ядра q=2 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19} Кл =3,2 \cdot 10^{-19} Кл.

Резерфорд заметил, что массы всех ядер с большой точностью кратны массе протона, поэтому он предположил, что в атомных ядрах кроме протонов есть нейтральные частицы, масса каждой из которых примерно равна массе протона. И эти частицы действительно были обнаружены на опыте. Их назвали нейтронами.

Открыть нейтрон удалось в 1932 г. английскому физику Джеймсу Чедвику при облучении бериллия альфа-частицами. На характер движения этих частиц не влияли ни электрическое, ни магнитное поля, поэтому был сделан вывод, что эти частицы не имеют электрического заряда и являются предсказанными Резерфордом нейтронами.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен - он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино: n \rightarrow p+e^{-}+\bar{v}.

Советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзен- берг предложили протонно-нейтронную модель ядра, согласно которой ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, которые получили общее название нуклоны.

Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой A . Массовое число атомного ядра равно сумме его зарядового числа Z и числа N нейтронов в этом ядре: \boldsymbol{A=Z+N} .

Номер химического элемента в Таблице Менделеева равен зарядовому числу ядра. Ядро атома обозначают так же, как и соответствующий химический элемент, указывая при этом слева вверху - массовое число, а слева внизу - зарядовое число. Например, ядро углерода с массовым числом 12 и зарядовым числом 6 обозначают { }_{6}^{12} \mathrm{C} . Протон и нейтрон обозначают соответственно { }_{1}^{1} p и { }_{0}^{1} n .

В природе встречаются атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Их называют изотопами. Например, водород имеет три изотопа: { }_{1}^{1} \mathrm{H} - протий, { }_{1}^{2} \mathrm{H} -дейтерий, { }_{1}^{3} \mathrm{H} - тритий.

Например, в ядре атома лития { }_{3}^{7} \mathrm{Li} зарядовое число Z=3 , массовое число A=7 , число протонов в ядре N_{p}=Z=3 , число нейтронов N_{n}=A-Z=7-3=4 .

В ядре атома бора { }_{5}^{10} \mathrm{B} зарядовое число Z=5 , массовое число A=10 , число протонов в ядре N_{p}=Z=5 , число нейтронов N_{n}=A-Z=10-5=5 .

Ядерные силы

Факт существования устойчивых атомных ядер свидетельствует о том, что между нуклонами в ядре действуют очень большие силь взаимного притяжения. Эти силы не только компенсируют действие кулоновских сил отталкивания между протонами ядра, но и обеспечивают его устойчивость.

Силы, обеспечивающие удержание нуклонов в ядре атома, называют ядерными силами.

Это самые мощные силы из всех существующих в природе. Поэтому взаимодействие нуклонов ядерными силами часто называют сильным взаимодействием.

Основные свойства ядерных сил:

ядерные силы являются силами притяжения;

ядерные силы являются короткодействующими - их действие проявляется только на расстоянии примерно 10^{-15} м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии;

ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;

ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Масса и энергия связи ядра

Поскольку между входящими в состав атомного ядра нуклонами действуют ядерные силы, являющиеся силами притяжения, для расщепления ядра на отдельные нуклоны необходимо совершить положительную работу, то есть сообщить ядру некоторую энергию.

Следовательно, суммарная энергия свободных нуклонов больше, чем их энергия, когда они находятся в составе ядра.

Минимальную энергию, необходимую для разделения ядра на отдельные нуклоны, называют энергией связи атомного ядра.

Измерения массы атомных ядер с помощью масс-спектрографов показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс всех составляющих его протонов и нейтронов.

Величину m=Z \cdot m_{p}+N \cdot m_{n}-m_{я} называют дефектом масс атомного ядра.

Чтобы найти энергию связи атомного ядра, необходимо умно- жить дефект масс на квадрат скорости света в вакууме: E_{св.}=m c^{2} .

Почему же имеет место дефект масс и каков физический смысл энергии связи?

Предположим, что из набора отдельных протонов и нейтронов надо сделать атомное ядро. Для этого придётся сблизить протоны и нейтроны до очень малого расстояния так, чтобы начали действовать ядерные силы.

Как только действие ядерных сил станет больше действия сил кулоновского отталкивания между протонами, протоны устремятся друг к другу. Движение протонов будет ускоренным.

При ускоренном движении заряженных частии происходит излучение электромагнитных волн (фотонов). Они и уносят от формирующегося ядра энергию, равную энергии связи. В результате масса атомного ядра уменьшается на величину, равную дефекту масс.

Массы ядер и нуклонов выражают обычно в атомных единицах массы (а. е. м.). Атомная единица массы равна 1 / 12 массы атома изотопа углерода { }_{6}^{12} \mathrm{C} и составляет 1,66 \cdot 10^{-27} кг. Массы протона и нейтрона: m_{p}=1,00728 а. е. м., m_{n} =1,00866 а. е. м.

Для характеристики атомного ядра используют и другую физическую величину - удельную энергию связи нуклонов в ядре.

Удельной энергией связи нуклонов в ядре называют отношение энергии связи нуклонов в ядре к числу нуклонов в нём: E_{уд.}=\frac{E_{св.}}{A} . Удельная энергия связи равна той энергии, которую надо сообщить каждому нуклону атомного ядра, чтобы ядро распалось на отдельные нуклоны.

Энергию связи нуклонов в ядре в ядерной физике измеряют в МэВ, удельную энергию связи - в МэВ/нуклон.

Энергия связи нуклонов в атомном ядре и удельная энергия связи различны для разных ядер.

Удельная энергия связи лёгких и тяжёлых ядер меньше, чем удельная энергия связи ядер средней массы.

Следовательно, с энергетической точки зрения наиболее легко осуществить два процесса преобразования ядер: деление массивных ядер на несколько более лёгких и слияние нескольких лёгких ядер в одно более тяжёлое ядро. Ядра же средней массы являются наиболее стабильными.

Например, найдём дефект масс ядра гелия { }_{2}^{4} \mathrm{He} . В этом ядре содержится 2 протона и 2 нейтрона. Масса атома с учётом суммарной массы электронов равна 4,0026 а. е. м.

Тогда дефект масс m=Z \cdot m_{p}+N \cdot m_{n}-m_{\text {я }}=2 \cdot(1,00728+1,00866)- (4,0026-2 \cdot 0,00055)=0,03038 а. е. м.

Энергия связи атомного ядра гелия E_{\text {св. }}= m c^{2}=0,03038 а. е. м. \cdot 931,5 МэВ/ а. е. м. =28,29897 МэВ.

Удельная энергия связи E_{\text {уд. }}=\frac{E_{\text {св. }}}{A}=\frac{28,29897}{4} \approx 7,07 \frac{\text { МэВ }}{\text { а. е. м. }} .