prosdo.ru 1
Лекция 12.


Строение атомных ядер и их основные характеристики.

План лекции:


  1. Что изучает ядерная физика?

  2. Основные характеристики атомного ядра

  3. Изотопы. Ядерные силы

  4. Энергия связи атомных ядер


12.1 Введение

Ядерной физикой называется раздел физики, посвященный изучению строения атомного ядра, а также процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций. Как самостоятельная область знаний ядерная физики возникла еще до установления факта существования атомного ядра. Возраст ее исчисляется с момента открытия естественной радиоактивности солей урана (1896 г.) французским физиком А. Беккерелем (1852-1908 г.). В процессе развития ядерной физики из нее выделились отдельные направления, ставшие впоследствии самостоятельными научными и техническими дисциплинами (физика элементарных частиц, ядерная энергетика, радиационная физика).

12.2 Основные характеристики атомного ядра

28 мая 1932 года советский физик Д. Д. Иваненко опубликовал в журнале «NATURE» заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. В июне 1932 года с большой статьей о протонно-нейтронной модели ядра выступил немецкий физик В. Гейзенберг. Однако протонно-нейтронная модель ядра большинством физиков того времени была встречена скептически. В сентябре 1933 года на конференции в Ленинграде Д. Д. Иваненко выступил с докладом о модели ядра, где энергично защищал протонно-нейтронную модель. Здесь же Иваненко отверг идею о сложной структуре протона и нейтрона. По его мнению, обе частицы обладают одинаковой степенью элементарности. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы – нуклона.

Основные характеристики атомного ядра:
  1. Электрический заряд ядра. Ядра всех атомов заряжены положительно. Их заряд определяется числом протонов Z, входящих в состав ядра, и может быть найден по порядковому номеру соответствующего элемента в Периодической Системе.


qЯ=Z*e (1),

где qязаряд ядра, e – положительный заряд, численно равный 1,6*10-19 Кл, Z - число протонов в ядре.

  1. Масса ядра. Масса ядра не намного отличается от массы атома. Обычно массу ядра выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с массовым числом 12:

1 а.е.м. = 1/12m0  = 1.66*10-27 кг

В качестве примера приведем массы протона (от греч. Protos – первый) и нейтрона (от лат. Neuter – ни тот, ни другой). Они соответственно равны 1,00728 а.е.м = 1,673*10-27 кг и 1,00867 а.е.м. = 1,675*10-27кг.

  1. Массовое число. Это целое число (A), ближайшее к атомной массе атома, выраженное в а.е.м. Массовое число равно числу нуклонов в ядре. Таким образом,

A=Z+N (2),

Где A – массовое число, Z – число протонов, N – число нейтронов в ядре.

Условились ядро обозначать химическим символом атома, которому оно принадлежит, с двумя индексами, вверху – массовое число, внизу – заряд в единицах элементарного заряда, называемый иногда зарядовым числом: 

  1. Радиус ядра. Первые представления о размере атомного ядра были получены Э. Резерфордом. Считалось, что ядро соответствует шару с линейным размером 10-15-10-14 м.

В настоящее время известно несколько способов определения размеров ядер. Они показали, что радиусы всех ядер могут быть вычислены по приближенной формуле:

 (3).


В ядерной физике длину выражают в фемтометрах (1 фм = 10-15 м). В этих единицах

.


  1. Спин ядра.
    Ядро характеризуется спином, который равен сумме спинов нуклонов. Спины протона и нейтрона одинаковы: S=1/2*. Обычно спин выражается в единицах . Это означает, что спины протона и нейтрона равны 1/2.

Спин ядра, состоящего из четного числа нуклонов, равен целому числу  Например, Спин ядра водорода  равен , а для ядра  – нулю.

Ядро, состоящее из нечетного числа нуклонов, имеет спин, равный нечетному числу 1/2*. Спин ядра трития равен 1/2*, а ядра индия  - 9/2*.
  1. Магнитный момент ядра. Со спином ядра связан магнитный момент pмя. Магнитный момент протона примерно равен 2,79 ( ядерный магнетон Бора), а нейтрона – примерно -1,91. Знак «минус» означает, что магнитный момент ориенирован противоположно спину.


12.3 Изотопы

В 1919 году ученик Д. Томсона Френсис Астон построил первый масс-спектрограф и в первых же экспериментах получил изотопы неона 20 и 22, открытые еще Томсоном ранее, а также хлора 35, 36, 37, 38, криптона, ртути и др. элементов. Но еще в 1911 году Содди ввел термин «изотоп» (от греч. «равноместный»)

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называются изотопами.

Например, водород (Z=1) имеет 4 изотопа: протий Н, дейтерий, или тяжелый водород D, тритий, или сверхтяжелый водород T, четырехнуклонный водород (открыт в 1963 году итальянскими физиками Арган, Пьяццоли, Пирачино и др.), еще без специального названия.

Ядро протия, или легкого водорода  состоит из одного протона, дейтерия  – из протона и нейтрона, трития  - из протона и двух нейтронов, четырехнуклонного водорода  – из протона и трех нейтронов. В соединении с кислородом дейтерий образует тяжелую воду D2O, тритий – сверхтяжелую воду T2O.

Тяжелая вода всегда содержится в природной воде, но в небольшом количестве, примерно 0,016%. Сверхтяжелая вода встречается в совершенно ничтожных количествах, примерно 10-16% в дождевой воде.

Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы как химические, так и физические свойства, которые обусловлены главным образом структурой электронной оболочки.

Что касается физических свойств, обусловленных строением ядра (массовое число, плотность, радиоактивность и др.), то они заметно различаются. Различие наиболее отчетливо выражено у самых легких химических элементов. Из Периодической Системы видно, что атомные массы некоторых элементов значительно отличаются от целых чисел.


Как указывалось выше, Ф. Астон установил, что такие элементы представляют собой смесь нескольких изотопов. Это является причиной нецелочисленности атомных масс элементов; другая причина, связанная с дефектом массы, будет рассмотрена ниже.

На данный момент известно, что большинство химических элементов, встречающихся в природе, представляют собой смесь изотопов.

В частности, природный водород состоит на 99,985% из легкого протия и на 0,015% из тяжелого дейтерия.

Согласно теории Я. И. Френкеля (капельная модель ядра), атомное ядро можно уподобить капле жидкости. Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения – ядерным силами, наподобие тому, как молекулы жидкости связаны между собой молекулярными силами сцепления.

12.4 Ядерные силы

Ядра атомов - очень устойчивые образования, более устойчивые, чем сами атомы. Например, чтобы разорвать ядро гелия на отдельные нуклоны, необходимо затратить в сотни тысяч раз больше энергии, чем для отрыва обоих его электронов от ядра.

Это объясняется тем, что между нуклонами имеет место новое, внутриядерное взаимодействие, т.е. действуют особые, ядерные силы.

Ядерные силы обладают следующими специфическими свойствами:


  1. Это короткодействующие силы. Они действуют на расстояниях между нуклонами, равными около 10-15 м и резко убывают при увеличении расстояния; при расстояниях 1,4*10-15 м они практически равны нулю. Это силы притяжения, но при сближении нуклонов до расстояния 0,5*10-15 м они становятся силами отталкивания.

  2. Это самые мощные силы из всех, которыми располагает природа. Поэтому взаимодействие ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.

  3. Им свойственно насыщение. Это значит, что ядерные силы могут друг возле друга в ядре не любое количество нуклонов, а лишь определенное их число.
  4. Ядерные силы зарядонезависимы. Это значит, что с одинаковой по модулю силой притягиваются друг к другу и заряженные, и незаряженные частицы, т.е. сила притяжения между двумя протонами равна силе притяжения между двумя нейтронами и равна силе притяжения между протоном и нейтроном.


  5. Ядерные силы не являются центральными. Они зависят не только от расстояния между нуклонами, но также и от ориентации их спинов.

  6. Ядерные силы являются т.н. обменными силами. Обменные силы носят квантовый характер и не имеют аналога в обычной физике. Нуклоны связываются между собой третьей частицей, которой они постоянно обмениваются. Эти частицы называют  - мезонами или пионами. Их масса примерно в 250 раз больше массы электрона.

  7. -мезоны выступают в трех видах: +- положительные,  - - отрицательные и нейтральные 0. Взаимодействие между однородными нуклонами осуществляется нейтральными 0 - мезонами, а взаимодействие между различными нуклонами – заряженными  - мезонами.

12.5 Энергия связи атомных ядер

Под энергией связи атомного ядра понимают энергию, которую надо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Такая же энергия выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов. Ее можно рассчитать, пользуясь соотношением Эйнштейна между массой и энергией.

В 1905 году А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи массы и энергии:


Всякий объект массой m имеет соответствующую полную энергию E=mc2.

После создания масс-спектрографа можно было с точностью до 0,01% измерить массы всех изотопов элементов таблицы Менделеева. Анализ этих данных показывает, что для всех элементов масса покоя ядра меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов, если последние находятся в свободном состоянии. Это различие характеризуется величиной:

 - = (Z * mp + (A-Z) * mn) - mя (4),

которая носит название дефекта масс.

Уменьшение массы при образовании ядра из частиц означает, что при этом уменьшается энергия этой системы на величину энергии связи:

Eсв =  = (Z * mp + (A-Z ) * mn-mя) *  (5)

Энергия связи определяется величиной работы, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны. Но куда она исчезает?

При образовании ядра из нуклонов последние за счет действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются друг к другу с огромными ускорениями. Излучаемые при этом γ-кванты обладают энергией связи Eсв и массой m=Eсв2, т.е. при образовании ядер из нуклонов эта энергия связи выделяется. Энергия связи очень велика. Ее обычно выражают в МэВ.

1 МэВ = 106 эВ = 1,6*10-13 Дж. Об этой величине можно судить по такому примеру: образование 4 граммов гелия сопровождается выделением такой же энергии, как при сгорании пяти-шести вагонов каменного угля.


Важной характеристикой ядра служит средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, так называемая удельная энергия связи ядра:

св=Eсв/A (6)

Чем она больше, тем сильнее связаны между собой нуклоны, тем прочнее ядро.

Литература


  1. И.И. Наркевич и др. Физика. – Мн.: Изд-во ООО «Новое знание», 2004 г.

  2. Р.И. Грабовский. Курс физики. – Спб. – М. – Краснодар: Изд-во «Лань», 2006 г.

  3. Л.А. Аксенович, Н.Н. Ракина. Физика. – Мн.: Изд-во «Дизайн про», 2001 г.

  4. П.С. Кудрявцев. Курс истории физики. – М.: Изд-во «Просвещение», 1974 г.