Ядерные силы. энергия связи ядра

ЛЕКЦИЯ №15

ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА

Ядро состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Это означает, что силы, удерживающие нуклоны в ядре, имеют некулоновскую природу. Они не могут быть также и гравитационными, т.к. гравитационные недостаточно велики.

Нуклоны в ядре удерживаются друг возле друга особыми силами взаимного притяжения, которые называются ядерными. Эти силы значительно больше по величине, чем силы электростатические и гравитационные и обладают следующими свойствами:

1. Ядерные силы короткодействующие, т.е. они велики, если расстояния между нуклонами малы, примерно 10^-13 см. Увеличение расстояния до 10^-12 см уменьшает ядерные силы притяжения почти до нуля.

2. Ядерные силы сильнодействующие. Они в тысячи и даже десятки тысяч раз больше, чем любые силы известные в природе. Это объясняет исключительно высокую плотность материи в ядре.

3. Ядерные силы являются зарядонезависимыми, т.е. притяжение между протонами, протонами и нейтронами или между нейтронами совершенно одинаково.

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон вступает в ядерное взаимодействие только с определенным числом соседних нуклонов. Этим объясняется меньшая устойчивость тяжелых ядер, где кулоновские силы отталкивания велики, а ядерные силы притяжения на один нуклон меньше.

Количественно устойчивость ядер оценивается по величине энергии связи ядра Е_св, т.е. тому количеству энергии, которую надо затратить для того, чтобы разрушить ядро (раздвинуть нуклоны на расстояния, на которых ядерные силы уже не действуют).

В целом, более устойчивыми являются ядра с определенным соотношением числа нейтронов N и протонов Z. Для легких ядер отношение N / Z = 1, для тяжелых – увеличивается до 1,6.

Т.к. энергия связи зависит от числа нуклонов, то для сравнения устойчивости ядер следует воспользоваться энергией связи, приходящейся на один нуклон, т.е. удельной энергией связи:

Е_уд = Е_св /А, (1)

где Е_св – энергия связи ядра, А – массовое число, суммарное число протонов и нейтронов в ядре.

График зависимости Е_уд = f(А) показывает (рис.1), что для легких ядер (А = 10 ÷ 12 а.е.м.) удельная энергия связи быстро возрастает до 6 – 7 МэВ/нуклон, а потом медленно увеличивается достигая значения в 7 – 8 МэВ/нуклон для ядер с А = 50 – 60 а.е.м. Это наиболее устойчивые ядра. Для А > 60 Е_уд постепенно снижается. Такой ход зависимости удельной энергии связи от массового числа А предполагает два возможных пути освобождения энергии ядра:

I. Синтез легких ядер (термоядерные реакции), например:

. (2)

II. Расщепление ядер тяжелых элементов, например, деление ядер урана в реакторе:

. (3)

И в первом, и другом случае вновь образованные ядра имеют более высокое значение Е_св нежели исходные. Это означает, что новые ядра являются более устойчивыми.