Часть 4 физика атомного ядра

6. Теоретическая часть

6.1. Размер, состав и заряд атомного ядра

Атомное ядро состоит из протонов ( ) и нейтронов ( ). Эти элементарные частицы, входящие в состав ядра, называют нуклонами. Протон – положительно заряженная частица с зарядом и массой . Нейтрон – нейтральная частица массой . Таким образом, , где – масса электрона.

Атомное ядро обозначают следующим символом:

,

где – символ химического элемента; – зарядовое число (число протонов и порядковый номер элемента в Периодической системе): заряд ядра ; – массовое число (число нуклонов в ядре): , где – число нейтронов: .

Известно более 2500 атомных ядер различных элементов, число которых . Устойчивыми являются ядер. В их числе различают следующие группы: 1) изотопы – ядра одного химического элемента (с одинаковым числом ), которые различаются числами , например, ;  (водород),  (дейтерий),  (тритий); 2) изотоны – ядра с одинаковым числом ; 3) изобары – ядра с одинаковым массовым числом и 4) изомеры – ядра, у которых размер приблизительно одинаков. В названных выше 2-й, 3-й и 4-й группах содержатся ядра различных химических элементов.

Размер ядра можно оценить по экспериментальной формуле

,

где – массовое число; .

6.2. Дефект массы и энергия связи ядра

Массу атомного ядра можно определить по следующей формуле:

, (1)

где – масса электрона; – масса атома химического элемента, которую можно измерить точно с помощью масс-спектрометра.

Опыт показал, что масса атомного ядра меньше, чем , – сумма масс нуклонов, его составляющих. Следовательно, при образовании ядра есть дефект массы :

. (2)

Прибавляя в правую часть уравнения (2) равное нулю слагаемое , получаем формулу дефекта массы в следующем виде:

. (3)

Здесь – масса атома водорода; – масса атома. Формула (3) удобна в  расчетах, так как в справочных таблицах приводятся массы атомов (а не ядер), которые измеряют в масс-спектрометрах.

Масса ядра и его полная энергия связаны формулой

. (4)

Формула (4) показывает, что уменьшение массы системы нуклонов при     образовании ядра будет сопровождаться соответствующим уменьшением энергии системы. Следовательно, при образовании ядра, согласно закону сохранения энергии (ЗСЭ), выделяется энергия

. (5)

Согласно ЗСЭ, такую же энергию нужно затратить и для обратного процесса – для разделения ядра на отдельные нуклоны; эта энергия называется энергией связи ядра : , – и определяется формулой (5). Таким образом, с учетом формулы (3), для энергии связи атомного ядра получаем следующую расчетную формулу:

. (6)

Наряду с энергией связи ядра рассчитывают удельную энергию связи

, (7)

т. е. энергию связи, приходящуюся на один нуклон; эта энергия характеризует прочность атомных ядер (их устойчивость): чем больше величина , тем устойчивее ядро.

Расчет показывает, что наибольшая энергия связи соответствует ядрам с массовым числом , т. е. элементам, которые расположены в середине Периодической системы элементов. Легкие же и тяжелые ядра менее устойчивы. Процессы перехода ядер в более устойчивое состояние (с большей , что означает меньшую энергию ядра) сопровождается выделением энергии. Эти процессы: 1) слияние легких ядер (термоядерный синтез) и 2) деление тяжелых ядер на более легкие в атомных реакторах, – используются для получения ядерной энергии.