Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра.

1. Строение атомного ядра.

• 1932 г советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра, согласно которой атомные ядра состоят из элементарных частиц двух сортов: протонов и нейтронов.

• Протон – ядро атома водорода. Открыт Э. Резерфордом. Символ -.

Масса протона:

Заряд протона: .

• Нейтрон – нейтральная частица. Открыт в 1932 г английским физиком Д. Чедвиком. Символ - . Масса нейтрона:

• Ядерные частицы.: протоны и нейтроны, называются нуклонами.

• Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

• Сумма числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называется массовым числом А: . .

• Так как массы протона и нейтрона близки друг к другу, то массовое число А равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента М_r: .

Например: элемент кислород M_r=15, 99491а.е.м.; А=16.

• Символическое обозначение атомных ядер:-химический элемент.

• Отношение числа нейтронов к числу протонов:- для ядер в начале таблицы Менделеева; для ядер в середине таблицы Менделеева; ,5 – для ядер в конце таблицы Менделеева.

2. Размеры атомных ядер.

Ядро, как и атом, не имеет четких границ. Можно говорить только о некотором среднем значении радиуса ядра. Радиус ядра определяется экспериментально по рассеянию ядром падающих на него частиц. С увеличением массового числа радиус ядра увеличивается:

• Объем ядра пропорционален числу нуклонов. В результате плотность ядерного вещества одинакова для всех атомных ядер:.

3. Ядерные силы.

Между протонами действуют силы электрического отталкивания - кулоновские силы. Что удерживает нуклоны в ядре?

• Межу нуклонами – протонами и нейтронами- действуют ядерные силы.

• Ядерные силы в 100 раз превосходят электромагнитные силы. Это самые мощные силы в природе. Взаимодействие ядерных частиц называется сильным взаимодействием.

• Ядерные силы короткодействующие. Ядерные силы заметно проявляются на расстояниях 10^-12- 10^-13 см.

• Взаимодействие нуклонов осуществляется посредством особого силового поля –ядерного поля. Ядерные частицы обмениваются друг с другом особыми частицами – квантами ядерного поля. Эти частицы называются  - мезонами( существует три вида  - мезонов: нейтральный ⁰ –мезон, положительный ⁺ - мезон, отрицательный ^-- мезон). При обмене заряженными мезонами протон и нейтрон превращаются друг в друга. ⁺ мезон испускается протонами, а поглощается нейтронами. ^- мезон испускается нейтронами, а поглощается протонами. ⁰-мезонами обмениваются как протоны так и нейтроны.

4. Энергия связи атомных ядер.

• Энергия связи – энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

• Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

• Рассчитать энергию связи можно используя соотношение Эйнштейна между массой и энергией:. Эта формула утверждает эквивалентность массы и энергии в том смысле, что любая энергия имеет массу, и наоборот, всякой массе соответствует определенная энергия.

• Точные измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра М_я всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов:

• - дефект масс.

• Уменьшение массы означает, что при образовании ядра выделяется энергия: - энергии связи атомного ядра.

Например: масса ядра гелия на один процент меньше суммы масс нуклонов, входящих в состав ядра. Для одного моля гелия дефект масс уже составляет М=0,286 г. Образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, как и при сгорании 2 вагонов каменного угля.

• Атомная единица массы: .

• Энергетический эквивалент 1 а.е.м:



5. Удельная энергия связи.

• Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

• Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее атомное ядро.

• Наибольшая энергия связи у ядер в середине таблицы Менделеева(А=50 – 60) - (см рис.1).

• У ядер в конце таблицы удельная энергия связи уменьшается до за счет увеличения потенциальной энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро. Этим объясняется явление радиоактивности – самопроизвольный распад атомных ядер.

• У ядер в начале таблицы удельная энергия связи уменьшается за счет поверхностных эффектов- нуклоны находящиеся на поверхности ядра взаимодействуют с меньшим числом нуклонов, чем нуклоны в внутри ядра. Поэтому энергия связи нуклонов на поверхности меньше. Чем меньше массовое число, тем большая часть нуклонов от общего числа нуклонов оказывается у поверхности, поэтому средняя удельная энергия связи уменьшается.

(МэВ/нуклон)

8

6

4

2

0 40 80 120 160 200 220 А(а.е.м.)

Рис.1 Кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа А.