Энергия связи ядраЯдерные силы.

К началу двадцатого столетия физикам были известны лишь два типа сил: гравитационные и электромаг­нитные. Между одноименно заряженными протонами в атомном ядре действуют электростатические силы отталкивания. Благодаря чрезвычайно малым расстояниям между протонами в ядре. Силы электростатического отталкивания, возрастающие обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, дос­тигают колоссальных значений. В тяжелых ядрах, состоящих из нескольких десятков притонов, силы кулоновского отталкивания достигают нескольких тысяч ньютон.

Можно было бы предположить, что кулоновскому отталкиванию протонов противодействует их гравитационное притя­жение. Но расчеты показывают, что сила гравитационного при­тяжения, действующая между двумя протонами в ядре, при­мерно в 1036 раз меньше силы кулоновского отталкивания между ними.

Факт существования устойчивых атомных ядер свидетель­ствует о действии внутри атомных ядер могучих сил притяжения неизвестного ранее вида. Их называют ядерными силами.

Свойства ядерных сил к настоящему времени изучены экспериментально довольно хорошо. Современные эксперименты позво­лили установить, что на расстоянии 10-15 м от центра протона ядерные силы примерно в 35 раз больше кулоновских и в 35 раз больше гравитационных. Однако с увеличением расстояния ядер­ные силы очень быстро убывают и на расстояниях, больших 1,4*10-15 м, их действием можно пренебречь. Малым радиусом действия ядерных сил объясняется тот факт, что при определяющем действии их внутри атомных ядер в обычных для нас макроско?ческих явлениях они себя ничем не проявляют.

Экспериментальные определения сил ядерного взаимодействия у пар протон — протон, протон — нейтрон и нейтрон — нейтрон показали, что во всех этих случаях ядерное взаимодействие оди­наково, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия электрического заряда у частицы.

Нуклон.

Так как протон и нейтрон по взаимодействию ядер­ными силами не отличаются друг от друга, их часто рассматривают как одну частицу нуклон - в двух различных состояниях (от лат. nucleus — ядро). Нуклон в состоянии без электриче­ского заряда называется нейтроном, нуклон в состоянии с положительным электрическим зарядом называется протоном.

Одно из замечательных свойств ядерных сил — свойство на­сыщения — заключается в том, что нуклон оказывается способ­ным к ядерному взаимодействию одновременно лишь с небольшим числом нуклонов соседей. Свойство насыщения ядерных сил де­лает их в некоторой мере сходными с силами связи атомов в мо­лекулах. Атом водорода, например, способен вступать в соединение лишь с одним другим атомом, атом углерода способен установить связь одновременно не более чем с четырьмя другими атомами. Ковалентная связь между атомами в молекуле возни­кает за счет постоянного обмена валентными электронами. Атом водорода имеет всего лишь один электрон и потому спо­собен вступить в обмен электронами только с одним атомом; атом углерода обладает четырьмя валентными электронами, поэтому он может вступить в связь с одним, двумя, тремя и четырьмя другими атомами

Свойство насыщения ядерных сил указывает на возможную природу ядерных сил как сил обменного тина X. Юкава в 1935 г показал, что все основные свойства ядерных сил можно объяснить, приняв, что нуклоны обмениваются между собой частицами с массой немногим более 200 электронных масс. Такие частицы были обнаружены экспериментально я 1947 г. Они получили название, ?-мезонов или ?онов. Существуют положительный, отрица­тельный и нейтральный ?-мезоны. Масса заряженного ?-мезона равна 274тд, т. е. 140 МэВ; масса нейтрального ?она равна 264тд, т.е. 135 МэВ.

Обменное взаимодействие нуклонов в ядре не во всем сходно ковалентной связью атомов в молекулах. Главное различие заключается в том, что электроны, с помощью которых осуществляется ковалентная связь между атомами, реально существуют и являются составными частями атомов. Иначе обстоит дело с мезонами. Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения — фотоны. Протон, испустивший положи­тельный ?-мезон, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата ?-мезона превращается в протон.


Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым — устойчивость ядра.

Энергия связи.

Точные измерения масс атомных ядер с по­мощью масс-спектрографов показали, что масса любого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс такого же числа свободных прогонов и нейтронов:

Mя<Zmp + Nmn. (1)

Поэтому из закона взаимосвязи массы и энергии сле­дует, что сумма энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из них ядра. Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию, равную разности между суммой энергий свободных протонов и нейтронов и энергией ядра:

Есв = (Zmp + Nmn - mя)c2 = mc2, (2)

где дефект массы

m = Zmp + Nmn - mя. (3)

Выражение для энергии связи принято за?сывать так:

Eсв = (Zmp + Nmn - M)931,5, (4)

где масса всех частиц выражена в атомных единицах массы, а энергия — в мегаэлектронвольтах.

Минимальная энергия Есв, которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра. Эта энергия расходуется на совер­шение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами.

При соединении протонов и нейтронов в атомное ядро за счет работы сил ядерного притяжения выделяется энергия, равная по модулю энергии связи ядра.

Удельная энергия связи.

Отношение энергии связи ядра Есв к массовому числу А называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.

Удельная энергия связи нуклонов у разных атомных ядер неодинакова. Сначала с ростом массового числа А она увели­чивается от 1,1 МэВ/нуклон в ядре дейтерия до 8,8 МэВ/нуклон у изотопа железа , а далее с ростом массового числа постепенно убывает и снижается до 7,6 МэВ/нуклон у изотопа урана .

Удельная энергия связи нуклонов в ядре в сотни тысяч раз превосходит энергию связи электронов в атомах.

Открытие сложности структуры атомных ядер и энергии связи нуклонов в ядре поставило ряд новых вопросов: может ли атомное ядро изменить свое состояние при взаимодействии с другими атомными ядрами и частицами или оно существует только в одном состоянии с одним запасом энергии? Если изме­нение энергетического состояния ядра возможно, то каковы спектры изменения энергии ядер — сплошные или линейчатые?



Загрузка...

Яндекс.Метрика Google+