42. Энергия связи, дефект массы. Ядерные силы. Масс-спектрометры и определение масс ядер.

Отношение энергии связи удельной энергией связи к числу нуклонов Этой величинойв ядре ∆W_cв/А называется удобно характеризовать устойчивость ядер: чем больше удельная энергия связи, тем устойчивей ядро. Для большинства ядер удельная энергия связи почти одинакова. Объясняется это тем, что нуклон в ядре взаимодействуют не со всеми нуклонами ядра, а только с ограниченным их числом. Это свойство называется насыщением ядерных сил.



Для легких ядер удельная энергия связи резко возрастает с ростом А. например, для дейтерия она равна 1,1 МэВ/нуклон, а уже для гелия составляет 7,1 МэВ/нуклон. Для ядер с массовыми числами А=50–60 удельная энергия связи максимальна и составляет 8,7 МэВ/нуклон. С дальнейшим ростом А удельная энергия связи немного уменьшается. Это объясняется возрастающей ролью кулоновского отталкивания для ядер с большим числом протонов. Для урана (А=235 или А=238) удельная энергия связи составляет 7,5 МэВ/нуклон. Отсюда следует энергетическая выгодность слияния (синтеза) легких ядер в одно более тяжелое ядро и деления тяжелых ядер на несколько более легких ядер. Так, например, в реакции слияния двух ядер дейтерия в ядро гелия выделяется энергия, равная 24 МэВ. Деление ядра с массовым числом А=240 (∆W_cв/А=7,5 МэВ/нуклон) на два ядра с А=120 (∆W_cв/А=8,5 МэВ/нуклон) привело бы к высвобождению энергии ∆W_cв=(8,5–7,5)·240 МэВ=240 МэВ. Для сравнения, при сжигании угля в химической реакции C+O₂ CO₂+5 эВ выделяется всего 5 эВ энергии, что на 6–7 порядков меньше, чем в ядерных реакциях.

Какие же силы удерживают нуклоны вместе, сдерживая кулоновское отталкивание протонов в ядре? Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Термин «сильное» означает, что это взаимодействие короткодействующие ~10^–15

сильней кулоновского. Ядерные силы м. На расстояниях 0,5·10^–15м притяжение сменяется быстро растущим отталкиванием. Ядерные силы не зависят от заряда нуклона, т.е. взаимодействие протона с протоном, нейтрона с нейтроном и протона с нейтроном одинаковы. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов. Так в ядре дейтерия – дейтроне – нейтрон и протон имеют спины, направленные в одну сторону. При противоположных спинах нейтрон с протоном отталкиваются. Ядерные силы не являются центральными. В частности, это следует из их зависимости от ориентации спинов. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон в ядре может взаимодействовать с ограниченным числом соседей (об этом упоминалось выше). Из-за насыщения ядерных сил объемы ядер пропорциональны А – числу нуклонов в ядре (см. формулу (18.2)).

Современная теория сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика – далека от завершения. Согласно гипотезе (1935 г.) японского физика Х.Юкавы (1907–1981, Нобелевская премия 1949 г.) в ядрах протоны и нейтроны с огромной быстротой обмениваются виртуальными

частицами с массой 200–300m_e, называемых -мезонами: в центре нуклонов находится ядро–керн радиусом 0,3·10^–15 м, окруженный облаком из мезонов ^(m_+=273m_e,время жизни ~10^–8c), ( m_-=273m_e, время жизни ~10^–8c), ⁰( m_0=264m_e, время жизни ~10^–16c), при этом очень быстро протекают реакции pn^, np ⁻, pp ⁰ , nn ⁰.

Время обмена нуклонов -мезонами можно определить из соотношения неопределенностей Гейзенберга–Бора для энергии и времени





∆E∆h/(2 ), где ∆E m c²– энергия покоя -мезона.

Существуют множество моделей ядра, рассмотрим кратко лишь самые известные феноменологические (описательные), каждая из которых, тем не менее, является приближенной, описывающей не все, а лишь некоторые свойства ядер.

устойчивость ядер: чем больше удельная энергия связи, тем устойчивей ядро. Для большинства ядер удельная энергия связи почти одинакова. Объясняется это тем, что нуклон в ядре взаимодействуют не со всеми нуклонами ядра, а только с ограниченным их числом. Это свойство называется насыщением ядерных сил.