Главная | Физика 11 класс | Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер

11 класс

§ 68. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер

Основные свойства ядерных сил. Атомные ядра весьма устойчивы, следовательно, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра силами, причём очень большими. Сразу же можно сказать, что это не гравитационные силы, которые слишком слабы. Устойчивость ядра не может быть объяснена и действием электромагнитных сил, так как между одноимённо заряженными протонами действуют электрические силы отталкивания, а нейтроны лишены электрического заряда. Это означает, что между нуклонами действуют особые силы, которые называют ядерными.

Какими основными свойствами обладают ядерные силы? Они примерно в 100 раз превосходят электромагнитные. Ядерные силы — самые мощные силы из всех, которыми располагает природа. Поэтому взаимодействие нуклонов часто называют сильным взаимодействием. Это особый тип взаимодействия, присущий многим элементарным частицам наряду с электромагнитными взаимодействиями.

Другая важная особенность ядерных сил — это их короткодействующий характер. Электромагнитные силы сравнительно медленно убывают с расстоянием. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц ядрами, лишь на расстояниях около 10^-13 см. Это и есть размер ядра — именно на таком расстоянии друг от друга нуклоны удерживаются ядерными силами.

Кроме того, силы ядерного взаимодействия между нуклонами не зависят от электрического заряда частиц, входящих в состав атомного ядра, и одинаковы для любой пары нуклонов (протон — протон, протон — нейтрон, нейтрон — нейтрон). Это свойство ядерных сил называют зарядовой независимостью.

Отметим также, что каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов того же ядра. В этом состоит свойство насыщения ядерных сил.

Ядерные силы имеют обменный характер. Взаимодействие нуклонов внутри ядра обусловлено тем, что они обмениваются какими-то частицами, являющимися переносчиками взаимодействия. Первым к такому заключению пришёл в 1935 г. японский физик Хидэки Юкава (1907— 1981). Эти частицы (их назвали π-мезонами ¹ или пионами) были открыты в 1947 г. группой исследователей под руководством английского учёного Сесила Пауэлла (1903—1969). Оказалось, что существуют π-мезоны трёх сортов: положительно заряженные, отрицательно заряженные и нейтральные. Масса нейтрального π⁰-мезона равна 264,1m_e, а положительных и отрицательных π-мезонов — 273,1m_e.

¹От греч. мезос — средний.

Все π-мезоны активно участвуют в ядерных взаимодействиях. Но лишь π⁰-мезонами свободно обмениваются как протоны, так и нейтроны, π⁺-мезон виртуально может быть испущен только протоном, а поглощён — только нейтроном, π^--мезоны, напротив, могут испускаться только нейтронами, а поглощаться — только протонами. При обмене заряженными π-мезонами протон и нейтрон превращаются друг в друга. Обмен пионами между нуклонами приводит к появлению ядерных сил притяжения между ними.

Энергия связи атомных ядер.

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра, т. е. энергии, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные частицы. На основании закона сохранения энергии можно привести определение данной физической величины.

Энергия связи ядра равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Измерения масс атомных ядер показывают, что масса ядра M_я всегда меньше суммы масс rnp и тп составляющих его протонов и нейтронов:

М_я > Zm_p + Nm_n.

Разность масс частиц, образующих ядро, и массы ядра называют дефектом массы ΔM:

ΔM = Zm_p + Nm_n - М_я.

В частности, для гелия масса ядра на один процент меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Соответственно для одного моля гелия ΔM = 0,286 г. Уменьшение массы при образовании ядра из частиц означает, что при этом уменьшается энергия этой системы частиц па значение энергии связи Е_св:

E_св = ΔMc² = (Zm_p + Nm_n - М_я)c².

Но что при этом происходит с энергией связи E_св и массой ΔM? При образовании ядра частицы за счёт действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом γ-кванты обладают энергией E_св и массой

ΔM = E_св / c².

О том, насколько велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и сгорание 1,5—2 вагонов каменного угля.

Удельная энергия связи атомного ядра.

Важную информацию о свойствах ядер содержит экспериментально полученная зависимость удельной энергии связи ², т. е. энергии связи, приходящейся на один нуклон в ядре, от массового числа А.

² Если измерить массу в атомных единицах массы (1 а. е. м. — 1,66054 • 10^-27 кг) и использовать формулу Эйнштейна, то можно определить энергетический эквивалент массы: 1 а. е. м. эквивалентна 931,5 МэВ.

Другими словами, удельная энергия связи равна той энергии, которую нужно сообщить каждому нуклону атомного ядра,

E_уд = E_св / A.

Из графика зависимости удельной энергии связи от массового числа (рис. 11.12) видно, что, не считая самых лёгких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона с ядром в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60 (см. рис. 11.12), т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

Рис. 11.12

У тяжёлых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет растущей с увеличением Z энергии кулоновского отталкивания протонов.

Энергетический выход ядерных реакций. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.

Энергетическим выходом ядерной реакции называют разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.

Он равен также изменению кинетической энергии частиц — участников реакции. Если кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии. В противном случае реакция идёт с поглощением энергии.

Вопросы:

1. Укажите основные свойства ядерных сил.

2. Какие частицы являются переносчиками ядерного (сильного) взаимодействия?

3. Что понимают под энергией связи атомных ядер?

4. C чем связано возникновение дефекта массы?

5. Какие химические элементы обладают:

а) наименьшей;

б) наибольшей удельной энергией связи ядра (см. рис. 11.12)?

6. Как можно определить энергетический выход ядерных реакций?

Вопросы для обсуждения:

1. На рисунке 11.13 представлены треки электрона и позитрона, полученные в камере Вильсона. Камера находилась в магнитном поле, направленном от вас перпендикулярно рисунку. Какой из треков принадлежит электрону, а какой — позитрону? Какая частица имеет большую кинетическую энергию?

Рис. 11.13

2. Чем различаются ядра изотопов хлора: ³⁵₁₇ Cl и ³⁷₁₇ Cl?

3. На рисунке 11.14 приведена схема треков частиц в камере Вильсона при захвате α-частицы ядром азота.

а) Какие частицы образуют прямолинейные треки?

б) Какой ядерной реакции соответствует образование «вилки» на конце трека α-частицы и какие частицы создают тонкую (и длинную) и жирную (и короткую) ветви вилки?