8.5.2. Протонно-нейтронная модель ядра

После открытия нейтрона в 1932 г. Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904 г.р., СССР) и Вернер Гейзенберг (1901–1976, Германия) предложили новую модель, согласно которой атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Значения зарядов протона и электрона равны, атом в целом электрически нейтрален. Значит, число протонов в ядре равно числу электронов на оболочках атома и равно атомному номеру Z элемента в периодической системе. Масса ядра в а.е.м. больше числа Z.

Массовое число (А) – сумма чисел протонов Z и нейтронов N в ядре.

Массы протона и нейтрона приближённо равны 1 а.е.м., масса электрона почти в 2000 раз меньше, поэтому массовое число ядра А равно округлённому до целого (с недостатком) числу относительной атомной массы элемента (по табл. Менделеева). Тогда можно дать определение изотопов.

Изотопы – атомы одного и того же вещества, ядра которых имеют одинаковое значение Z, но разное значение А (т. е. отличаются числом нейтронов N).

8.5.3. Ядерные силы

Устойчивость ядра нельзя объяснить ни гравитационными силами (они слишком малы), ни электромагнитными (нейтроны заряд не несут, а протоны отталкиваются друг от друга). Значит, между нуклонами (протоны и нейтроны) должны действовать особые ядерные силы.

Учёные пришли к выводу, что ядерные силы – самые мощные природные силы (примерно в 100 раз превосходят электрические). Взаимодействия частиц ядра (ядерные взаимодействия) часто называют сильными взаимодействиями. Они (наряду с электромагнитными) присущи большинству элементарных частиц.

Электромагнитные силы сравнительно медленно убывают с расстоянием, тогда как ядерные действуют лишь на расстояниях, соизмеримых с размерами ядра (10^–14–10^–15 м).

• В настоящее время теория ядерных сил окончательно не завершена, значительные успехи в её создании были достигнуты в последние 15–20 лет.

8.5.4. Энергия связи. Дефект масс

Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами и, чтобы удалить нуклон из ядра, необходимо совершить работу.

Энергия связи ядра (Е) – энергия, необходимая для полного расщепления ядра на нуклоны.

• Энергия связи зависит от массового числа А и равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов.

Теоретически рассчитать энергию связи ядра учёные ещё не могут, но приближённо оценить её можно по формуле Эйнштейна Е = mс² на основе точного измерения массы ядра до расщепления и масс нуклонов после расщепления. Оказалось, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя всех слагающих его нуклонов: М_я < Zm_р + Nm_n, где m_p и m_n – массы протонов и нейтронов, т. е. существует дефект масс М = Zm_р+ Nm_n – М_я (М > 0).

• Для гелия М = 0,75% от Zm_р+ Nm_n (для 1 моль Не М = 0,03 г).

Наличие М означает, что при образовании из системы отдельных нуклонов атомного ядра, энергия этой системы уменьшается на энергию связи Е_св = Мс².

• При образовании ядра нуклоны с огромным ускорением устремляются друг к другу, а энергия Е_св выделяется в виде -квантов.

• Энергия -квантов огромна: при образовании 4 г Не выделяется столько же энергии, сколько при сгорании двух вагонов каменного угля.

Удельная энергия связи (Е_уд) – энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра.

Зависимость Е_уд(А) изображена на графике:

Е_уд приблизительно постоянна и составляет около 8 МэВ.

Е_уд  8,6 МэВ максимальна для элементов с А  50–60 а.е.м. (Fe и др.).