Тема 31. Физика ядра

а

зывают нуклонами, имеющими два разных зарядовых состояния.

к

Масса ядра не являе ся аддитивной величиной: она не равна сумме масс,

образующих ядро нуклонов. Причинойеявляется сильное взаимодействие ну-

клонов в ядре.

о

и

Протон (обозначаетсяткак р, p+ или 11 p ) обладает положительным заря-

дом + e и массой mp , к т рая в энергетических единицах равна

Также массу протона можно выразить как

и

л

ì1,00759 а. е. м.

б

mp = í

Б

î1836,15 me .

μp ≈ 2,79 μя ,

где

μя =

eh

– ядерный магнетон (единица, в которой измеряют магнитные

2mp

электрического заряда, его масса близка к массе протона:

ì939,55 МэВ,

ï

тп = í1,00898 а. е. м.

ï

î1838,68 те,

что на 0,14 %, или 2,5 те больше массы протона.

Спин нейтрона s = 1 2 . Магнитный момент нейтрона равен

μn ≈ −1,91 μя .

Р

извольно распадается и превращается в протон,

испуская электрон и легкую

~

(возможно, безмассовую) частицу с нулевым зарядом – антинейтрино (νe ):

n

0

→ p

+

+ e

−

~

Г

И

(31.1)

+νe .

Период полураспада T1 2 (время,

за которое распадаетсяУполовина первона-

чального количества нейтронов) равен примерно 12 мин.

Отметим,

что антинейтрино

~

является

античастицей электронного

νe

нейтрино νe .

Электрический заряд эле тронногоБнейтрино νe равен нулю,

к

спин равен 1 2 . Значение массы эле тронного нейтрино, как и антинейтрино, в

е

настоящее время принимается или равныманулю, или чрезвычайно малым,

~

отличается от нейтрино νe спираль-

очень близким к нулю. Антин йтрино νe

т

ностью – квантовой характерис икой состояния. Спиральность – это проекция

ноZe ,

ентирован антипараллель импульсу р (левая спиральность), у антинейтрино –

и

s и р сонаправлены (правая спиральность).

Зарядом ядра является величина

б

где е – заряд протона; Z – атомный номер – порядковый номер химического

рия и трития – дейтрон (d) и тритон (t). Атомное ядро протия – протон.

У разных атомов число изотопов различно, среди них имеютсяРстабиль-

ные и радиоактивные.

У атомного ядра (как и у всякойИквантовой сис-

темы) отсутствует четко определенная граница. Ти-

У

пичное распределение концентрации нуклонов в за-

висимости от расстояния Гдо центра ядра n(r) показа-

но на рис. 31.1, где

радиус ядра r0 принимают рас-

Рис. 31.1. Общий вид

Б

стояние от центра ядра, на котором концентрация ну-

зависимости концентрации

клонов падает в два р за. В первом приближении яд-

нуклонов п от расстояния

ро можно счит ть сферическим с радиусом

за

до центра ядра r

r = (1,2

к−1,3) A1 3

ферми,

0

где ферми – единица длины в яд рной физике, равная 10–15 м.

Следовательно, масса ядраеделяемая, опр

массовым числом А, пропор-

циональна его объему V,

т

ак как V ~ r3 ~ A. Поэтому плотность вещества во

Е,

На рис.

31.2

показано, что энергия покоя ядра

åmнукл c2

меньше суммы энергий покоя свободных нуклонов,

МэВ

Есв

входящих в состав данного ядра. Тогда энергия связи

нуклонов в атомном ядре равна

mя c2

,

(31.2)

Рис. 31.2. Схема,

где масса всех нуклонов

åmнукл ,

входящих в состав

иллюстрирующая

данного ядра, и масса ядра mя определены в СИ.

образование ядра

Таким образом, энергию связи нуклонов в

И

где Z

Рв ядре; mp ,

У

+ me – масса

mn , mя – соответственно массы протона, нейтрона и ядра; mH = mp

атома водорода 11H ;

ma

= mя + Zme

Г

–

атомная масса данного вещества (масса

нуклида).

Масса всех нуклонов при образовании из них ядра уменьшается на вели-

ра

чину m , называемую дефектом массы яд

:

m =

Eсв

= Zm + (A − Z )m − mБ.

(31.3)

c2

p

к

n я

Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся в среднем на

один нуклон, т. е.

εсв = Eсв

A . Она хара теризует устойчивость (прочность)

ядра: чем больше Eсв

связи нуклона в ядре сос авл

еоколо 8 МэВ (при A > 20 ).

εсв ,

На рис. 31.3 показано, что сильнее все-

МэВ 10

и

го

связаны нуклоны в ядрах с массовыми

яетчислами в интервале 50–60, т. е. в элементах

нуклон

5

л

о

от Cr до Zn. Энергия связи в этих элементах

достигает

8,7 МэВ/нуклон. Для

сравнения:

Eсв

A

для

урана

23892U

составляет

0

200

А

7,6 МэВ/нуклон. При переходе к более тяже-

100

лым

ядрам удельная энергия связи уменьша-

Р с. 31.3.бКривая зависимости

ется, поскольку при увеличении числа прото-

удельнойиэнергии связи ε

св ядра

нов в ядре увеличивается энергия их куло-

от массового числа A

новского отталкивания. Поэтому связь между

нуклонамиБ

становится менее сильной, а сами ядра менее прочными. Энергети-