» » »

33 Состав ядра. Осн. характеристики нуклонов. Заряд, масса и размеры ядра. Изотопы. Масса и энергия связи ядра. Удельная энергия связи. Понятие о ядерных силах.

33 Состав ядра. Осн. характеристики нуклонов. Заряд, масса и размеры ядра. Изотопы. Масса и энергия связи ядра. Удельная энергия связи. Понятие о ядерных силах.

Атомное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд  ядра определяет химический элемент, к которому относится атом.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным Описание: и связанным с ним магнитным моментом.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Описание:— это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева.

Количество протонов в  ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента.

Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом Описание:.

Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами.

Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами.

Заряд. Число протонов в ядре Описание:определяет непосредственно его электрический заряд, у изотопов одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Ядерные свойства изотопов элемента в отличие от химических, могут различаться чрезвычайно резко.

В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м.), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида 12C. Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида — это масса нейтрального атома.  Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов .

Радиус.  Анализ распада тяжёлых  ядер уточнил оценку Резерфорд и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением: Описание:,где Описание:— константа.

Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой и связан прежде всего с радиусом действия ядерных сил, то значение Описание: зависит от процесса, при анализе которого получено значение Описание:, усреднённое значение мОписание:, таким образом радиус ядра в метрах:

Описание:

 

Энергия связи

Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существовании ядерных сил, поскольку известные гравитационные силы слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Связь нуклонов осуществляется чрезвычайно короткоживущими силами, которые возникают вследствие непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами, между нуклонами в ядре.

Экспериментально было обнаружено, что для всех стабильных ядер масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых по отдельности. Эта разница называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением: Описание:

,где Описание:и Описание:— массы свободного протона и нейтрона, Описание:— масса ядра.

Согласно принципу эквивалентности массы и энергии дефект массы представляет собой массу, эквивалентную работе, затраченной ядерными силами, чтобы собрать все нуклоны вместе при образовании ядра. Эта величина равна изменению потенциальной энергии нуклонов в результате их объединения в ядро.

Энергия, эквивалентная дефекту массы, называется энергией связи ядра и равна: Описание: ,где Описание:— скорость света в вакууме.

Другим важным параметром ядра является энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, которую можно вычислить, разделив энергию связи ядра на число содержащихся в нём нуклонов: Описание:

Эта величина представляет собой среднюю энергию, которую нужно затратить, чтобы удалить один нуклон из ядра, или среднее изменение энергии связи ядра, когда свободный протон или нейтрон поглощается в нём.

Как видно из поясняющего рисунка, при малых значениях массовых чисел удельная энергия связи ядер резко возрастает и достигает максимума при Описание:(примерно 8,8 Мэв). Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом Описание:средняя энергия связи уменьшается, однако в широком интервале массовых чисел значение энергии почти постоянно (Описание: МэВ), из чего следует, что можно записать Описание:.

Такой характер поведения средней энергии связи указывает на свойство ядерных сил достигать насыщения, то есть на возможность взаимодействия нуклона только с малым числом «партнёров». Если бы ядерные силы не обладали свойством насыщения, то в пределах радиуса действия ядерных сил каждый нуклон взаимодействовал бы с каждым из остальных и энергия взаимодействия была бы пропорциональна Описание:, а средняя энергия связи одного нуклона не была бы постоянной у разных ядер, а возрастала бы с ростом Описание:.

Общая закономерность зависимости энергии связи от массового числа описывается формулой Вайцзеккера в рамках теории капельной модели ядра

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.