Энергия связи и устойчивость атомных ядер.

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 21Следующая ⇒

Измерения массы ядер с помощью масс-спектрометров (приборов для разделения ионизированных атомов или молекул по их массам при пропускании пучков ионов через электрические и магнитные поля) позволило установить, что масса атомного ядра не равна сумме масс покоя входящих в него отдельных нуклонов, а несколько меньше ее. Это обусловлено тем, что нуклоны в ядре сильно связаны между собой за счет ядерных сил. Чтобы разделить ядро на отдельные протоны и нейтроны, нужно затратить определенную энергию, которая называется энергией связи ядра.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая энергия, которую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны.

Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

Используя формулу Эйнштейна , получаем выражение для энергии связи ядра:

. (22.3)

Здесь , - соответственно массы покоя протона, нейтрона и ядра атома.

Где – дефект масс.

Критерием устойчивости атомных ядерявляется соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре. При малых и средних значениях А числа нейтронов и протонов в устойчивых ядрах примерно одинаковы: Z ≈ А – Z. С ростом Z силы кулоновского отталкивания протонов растут пропорционально Z·(Z – 1) ~ Z² (парное взаимодействие протонов), и для компенсации этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов должно возрастать быстрее числа протонов. Кроме того, с увеличением числа протонов увеличиваются и размеры атомных ядер, поэтому кулоновские силы отталкивания, как силы дальнего действия, начинают преобладать над ядерными силами, т.е. над силами близкого действия. В связи с этим ядра тяжелых химических элементов становятся неустойчивыми, а ядра заурановых элементов являются вообще короткоживущими.

Ядерные силы и их свойства.

Основные особенности ядерных сил:

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами притяжения. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10^–15 м.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с определенным числом ближайших соседей. Такой характер ядерных сил проявляется в приближенном постоянстве удельной энергии связи нуклонов при зарядовом числе А >40.

3. Особенностью ядерных сил является также их зарядовая независимость, т.е. они не зависят от заряда нуклонов, поэтому ядерные взаимодействия между протонами и нейтронами одинаковы.

4. Ядерные силы не являются центральными и зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.

Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. Существуют положительный , отрицательный и нейтральный мезоны. Модуль заряда - или - мезонов численно равен элементарному заряду e. Масса заряженных - мезонов одинакова и равна (140 МэВ), масса - мезона равна 264 (135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтральных - мезонов равен 0. Все три частицы нестабильны. Время жизни - и - мезонов составляет 2,6 с, - мезона – 0,8·10^-16с. Взаимодействие между нуклонами осуществляется по одной из следующих схеме: