Строение ядер и свойства ядерных сил

1.3.1. Ядро любого атома имеет сложную структуру и состоит из частиц, называемых нуклонами. Известно два типа нуклонов - протоны и нейтроны.

Протоны - нуклоны массой 1 а.е.м. с положительным зарядом, равным единице, то есть величине элементарного заряда (электрона).

Нейтроны - электронейтральные нуклоны массой 1 а.е.м.

*) Строго говоря, массы покоя протонов и нейтронов несколько от­личаются: m_р= 1.6726 ^.10^-24 г m_n= 1.67439 ^.10^-24 г. Об этом различии - речь впереди.

1.3.2. Так как масса ядра практически равна A, заряд ядра - z, а массы протона и нейтрона практически равны, при таких представлениях следует принять как должное, что ядро устойчивого электронейтрального атома состоит из z протонов и (A - z) нейтронов. Следовательно, атомный номер элемента - есть не что иное как протонный заряд ядра атома, выраженный в единицах элементарного заряда электрона. Другими словами,z - это число протонов в ядре атома.

1.3.3. Наличие в ядре протонов (частиц с электрическим зарядом одного знака) вследствие кулоновских сил отталкивания между ними должно было бы привести к разлёту нуклонов. В реальности этого не происходит. Существование в природе множества устойчивых ядер приводит к выводу о существовании между нуклонами ядра более мощных, чем кулоновы, ядерных силпритяжения, которые, преодолевая кулоновское отталкивание протонов, стягивают нуклоны в устойчивую структуру - ядро.

1.3.4. Размеры ядер атомов, определенные по формуле (1.4), есть величины порядка 10^-13 см. Отсюда первое свойство ядерных сил (в отличие от кулоновых, гравитационных и других) - короткодействие: ядерные силы действуют только на малых расстояниях, сравнимых по величине с размерами самих нуклонов.

Даже не зная точно, что за материальное образование представляет собой протон или нейтрон, можно оценить их эффективные размеры как диаметр сферы, на поверхности которой ядерное притяжение двух соседних протонов уравновешивается их кулоновским отталкиванием. Эксперименты на ускорителях по рассеянию ядрами электронов позволили оценить эффективный радиус нуклона R_н » 1.21 ^.10^-13 см.

1.3.5. Из короткодействия ядерных сил вытекает второе их свойство, кратко именуемое насыщением. Это означает, что любой нуклон ядра взаимодействует не со всеми другими нуклонами, а лишь с ограниченным числом нуклонов, являющихся его непосредственными соседями. Число таких соседей у нуклона не может быть больше 12.

1.3.6.Третье свойство ядерных сил - их равнодействие. Поскольку считается, что ядерные силы взаимодействия между нуклонами обоих видов являются силами одной природы, предполагается, что на расстояниях порядка 10^-13 см два протона, два нейтрона или протон с нейтроном взаимодействуютодинаково (разумеется, речь о ядерных взаимодействия; кулоновы силы отталкивания протонов при этом «выводятся за скобки», то есть не принимаются во внимание).

1.3.7. Протон в свободном состоянии(то есть вне атомных ядер)стабилен. Нейтрон в свободном состоянии длительно существовать не может, он претерпевает распад на протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада T_1/2 = 11.2 мин. по схеме:

*) Антинейтрино ( ) - электронейтральная частица материи с нулевой массой покоя.

1.3.8.Итак, любое ядро считается полностью индивидуализированным, если известны две его основные характеристики - число протонов z и массовое число A, поскольку разница (A - z) определяет число нейтронов в ядре. Индивидуализированные ядра атомов принято в общем случае называть нуклидами.

Среди множества нуклидов (а их в настоящее время известно более 2000 - естественных и искусственных) есть такие, у которых одна из двух упомянутых характеристик одинакова, а другая – различна по величине.

Нуклиды с одинаковым z (числом протонов) называют изотопами. Поскольку атомный номер определяет в соответствии с Периодическим Законом Д.И.Менделеева индивидуальность только химических свойств атома элемента, об изотопах всегда говорят со ссылкой на символ соответствующего им химического элемента в Периодической Системе.

Например, ²³³U, ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁶U, ²³⁸U, ²³⁹U - все это изотопы урана, который в Периодической Системе элементов Д.И.Менделеева имеет порядковый номер z = 92.

Изотопылюбого химического элемента, как видим, имеют равное чис­ло протонов, но различные числа нейтронов.

Нуклиды равной массы (A), но с различными зарядами z называют изобарами.

Изобары, в отличие от изотопов, - нуклиды различных химических элементов.

Примеры: и - изобары нуклидов бора и углерода; и - изобары нуклидов лития и бериллия; , и - также являются изобарами йода, ксенона и цезия соответственно.

1.3.9. Из формулы (1.4) можно оценить плотность нуклонов в ядрах и массовую плотность ядерного вещества. Если считать ядро сферой с радиусом R и количеством нуклонов в ее объёме, равным A, число нуклонов в единице объёма ядра найдётся как

N_н = A/V_я = 3А/4pR³ = 3А/4p(1.21 ^.10^-13A ^1/3)³ = 1.348 ^.10³⁸ нукл/см³,

а, так как масса одного нуклона равна 1 а.е.м. = 1.66056^.10^-24 г, то плотность ядерного вещества будет

g_яв = N_нm_н = 1.348 ^.10³⁸ .1.66056 ^.10^-24 = 2.238 ^.10¹⁴ г/см³.= 223.8 Мт/см³

Порядок приведенного расчёта свидетельствует о том, что плотность ядерного вещества одинакова в ядрах всех химических элементов.

Объём. приходящийся на 1 нуклон в ядре,

V_я/A = 1/N_н = 1/1.348 ^.10³⁸ = 7.421 ^.10^-39см³

также одинаков для всех ядер, поэтому среднее расстояние между центрами соседних нуклонов в любом ядре (которое можно условно назвать средним диаметром нуклона) будет равно

D_н = (V_я)^1/3 = (7.421 ^.10^-39)^1/3 = 1.951 ^.10^-13 см.

1.4.Энергия связи и устойчивость ядер атомов

1.4.1.Масса (m) и энергия (Е) - две формы существования материи, пропорционально взаимосвязанные между собой соотношением А.Эйнштейна

Е = mc², (1.5)

где с - скорость света в вакууме (с = 2.997924 ^.10⁸ м/с).

Следовательно, 1 кг массы вещества обладает полной энергией

Е = 1 ^.(3 ^.10⁸)² = 9 ^.10¹⁶ Дж = 2.5 ^.10¹⁰ кВт ^.час

(т.к. 1 кВт ^.час = 3.6 ^.10⁶ Дж).

1.4.2. Так как 1 а.е.м. соответствует в единицах СИ массе 1.66056 ^.10^-27 кг, то в размерности системы СИ полная энергия 1 а.е.м. вещества равна:

Е_1аем = 1.66056 ^.10^-27(3 ^.10⁸)² = 1.4924 ^.10¹⁰ Дж.

В ядерной физике энергии частиц принято измерять в электронВольтах(эВ).