mozok.click » Фізика » Атомне ядро
Інформація про новину
  • Переглядів: 326
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:51
12-02-2018, 22:51

Атомне ядро

Категорія: Фізика

Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Історія ядерної фізики почала свій відлік з 1896 року. У цьому році Анрі Беккерель відкрив явище радіоактивності, яке не можна було пояснити на основі тогочасних уявлень про будову атома.

На початку 30-х років XX ст. була досліджена структура атомного ядра і розроблена його модель, яку і по нині використовують для пояснення процесів мікросвіту. Згідно з цією моделлю до складу ядра атома входять частинки двох видів - протони та нейтрони. (Надалі ми частіше вживатимемо термін ♦частинки», але не забуваємо, що ці частинки мають і хвильові властивості.)

Протон (позначається р) стабільна елементарна частинка. З одного протона складається ядро атома Гідрогену. Протон має елементарний позитивний заряд е = 1,6-10 19 Кл.

Нейтрон (позначається п) електрично нейтральна частинка. Нейтрон стабільна частинка лише у складі стабільних атомних ядер. Вільний нейтрон - нестабільна частинка, яка розпадається на інші частинки.

Нейтрони та протони як складові атомного ядра мають спільну назву -нуклони.

Оскільки атом в цілому електронейтральний, а заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то кількість протонів Z у ядрі дорівнює кількості електронів в атомній оболонці. Число протонів Z в атомному ядрі визначає атомний номер і місце елемента в таблиці Менделєєва. Кожне атомне ядро характеризується зарядом Ze, масою тя і масовим числом А, що дорівнює кількості нуклонів у ядрі, А = N+Z> де N - кількість нейтронів, Z -кількість протонів.



Позначаючи ядра хімічного елемента, вказується число протонів Z внизу і масове число А - вгорі. Наприклад, ядро Гелію позначається так: gHe .

Наближено розміри ядер вперше були визначені Резерфордом у досліді з розсіювання а-частинок. Зрозуміло, що, оскільки мікрочастинкам властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм, розміри ядра є дещо розмитими. Тим не менш, оцінити розміри ядра вдається під час розсіювання електронів на ядрах. Виявилось, що ядра мають приблизно сферичну форму, причому радіус ядер збільшується залежно від масового числа за формулою г*(1,2Ю'1г,м)А1/8 . Розміри ядер за порядком величини становлять 10 14-10 10 м, у той час як для зовнішніх електронних оболонок атомів характерні розміри порядку 10 10 м.

У 1919 р. був побудований прилад, яким можна визначати маси атомів з точністю до 0,01%. Цей прилад, як ви уже знаєте (§ 25 ), називається мас-спектрограф. Маси ядер прийнято вимірювати в атомних одиницях маси (а.о.м.). Маса протона тр = 1,672617-10  кг = 1,00728 а.о.м., нейтрона тп = 1,674920-10 27 кг = 1,00866 а.о.м. (Згідно з формулою взаємозв’язку маси-енергії Е = тс2 маси ядер також вимірюють одиницями енергії -електрон-вольтами.)

В ядрі зосереджена майже вся (понад 99,95 %) маса атома. Таким чином, з точки зору атомних масштабів, ядра мають мізерно малі розміри і гігантську міцність. Це є причиною якісного розмежування явищ атомної та ядерної фізики. В атомній фізиці, розглядаючи переходи електронів на орбітах, ядро вважають зарядженою матеріальною точкою. У ядерній фізиці мають справу з такими великими енергіями, що майже завжди нехтують впливом процесів, що відбуваються в електронних оболонках.

Енергія зв’язку. Дослідженнями доведено, що загальна маса ядра завжди менша від суми мас частинок, з яких воно складається, тобто Мя < Zmp + Nmn (тр та тп - маси протона та нейтрона у вільному стані).

Різницю між сумою мас нуклонів (нейтронів і протонів), які входять до складу ядра, і масою ядра називають дефектом маси Am. Дефект маси визначає енергію зв’язку: чим більший дефект мас, тим більша енергія зв’язку і тим стійкіше ядро.

Енергія зв’язку ядра Езв визначається роботою, яку потрібно виконати, щоб розділити ядро на окремі частинки і віддалити їх одну від одної на таку відстань, на якій їхньою взаємодією можна нехтувати.


 

Згідно з законом взаємозв’язку маси-енергії Езв = А тс2. Оскільки енергію зв’язку звичайно виражають у МеВ, а дефект мас у а.о.м. і, враховуючи, що с2 = 9-Ю16 м22 та 1еВ = 1,6Ю~19 Дж, для обчислень можна користуватись формулою Езв = Am 931,5 МеВ/а.о.м.

Якби не було дефекту маси, то ядро розпалося б на нуклони самостійно, без виконання роботи. Для забезпечення стабільності ядра його маса має бути меншою за суму мас його нуклонів.

Важливу інформацію про властивості ядер містить залежність енергії зв’язку від масового числа А.

Питомою енергією зв’язку називають енергію зв’язку, яка припадає на один нуклон.

На мал. 292 наведено криву залежності питомої енергії зв’язку від атомного числа для стабільних ядер. Як видно з малюнка, питома енергія зв’язку спочатку зростає із збільшенням масового числа, досягає насичення (близько 8 МеВ/нуклон для А«15) і для А>60 крива повільно спадає. Питома енергія зв’язку має максимум (приблизно 8,8 МеВ) для А«56. Максимум кривої відповідає найстабільнішим ядрам.

Сильна взаємодія. Ядра атомів можна аналізувати не лише з точки зору енергії, але й з точки зору тих сил, які утримують нуклони в ядрі. Сили, які діють між ядерними частинками і зумовлюють утворення атомних ядер мають особливий характер. Оскільки ці сили перевищують електромагнітну кулонівську силу відштовхування, яка, в свою чергу, перевищує гравітаційну силу притягання, то ці сили отримали назву сильних (ядерних) сил. Ядерні сили належать до нового типу взаємодії - сильної взаємодії.

Дослідження показали, що ядерні сили притягання діють між будь-якими двома нуклонами на відстанях між центрами частинок близько 2 • 10"15 м і різко зменшуються із збільшенням відстані; на відстанях, більших за 3 • 10 10 м, вони вже практично дорівнюють нулю. Коли ж нуклони, зіткнувшись, зближаються до відстані 0,5 • 10~15 м, ядерні сили виявляють себе як сили відштовхування. Пригадайте, подібний характер має взаємодія між молекулами, але сили й енергія взаємодії нуклонів у мільйони разів більші, а відстані між частинками в мільйони разів менші.

Дуже малий радіус дії ядерних сил свідчить про те, що нуклони всередині ядра взаємодіють лише із сусідніми, а не з усіма нуклонами ядра. Відповідно можна помітити деяку схожість між атомним ядром та краплиною рідини. Нуклони в ядрі, як і молекули в рідині, взаємодіють тільки зі своїми найближчими сусідами. Густина ядра, як і краплини, не залежить від розміру. Поверхневі нуклони односторонньо зв’язанні з внутрішніми, і під дією сил поверхневого натягу ядро, як і краплина, має набувати сферичної форми. У збудженому ядрі нуклони коливаються, подібно до молекул у нагрітій краплині. Численні зіткнення можуть привести до того, що який-небудь з нуклонів дістане енергію, достатню для подолання ядерних сил, і вилетить з ядра. Коли заряджена частинка, наприклад протон чи а-частинка, перебуває на відстані, що перевищує радіус дії ядерних сил, то ядро діє на неї просто як позитивно заряджена краплина. Наведений опис називають краплинною моделлю ядра. Краплинна модель ядра дає змогу обчислити радіуси ядер і наочно пояснити деякі їх властивості.

Але чи завжди процес зіткнення ядра з іншим ядром чи частинкою буде супроводжуватись вильотом нуклона? Чи не може атомне ядро поглинути енергію, одержану при зіткненні, і перерозподілити її між нуклонами, що

входять до його складу, змінивши тим самим свою внутрішню енергію? Що відбуватиметься з таким ядром далі?

Відповіді на ці запитання дали досліди з вивчення взаємодії протонів з атомними ядрами, їх результати дуже схожі на результати дослідів Франка і Герца щодо вивчення зіткнення електронів з атомами (§ 71). Виявляється, з поступовим збільшенням енергії протонів спочатку спостерігаються тільки пружні зіткнення з атомними ядрами, кінетична енергія не перетворюється в інші види енергії, а лише перерозподіляється між протоном і атомним ядром як єдиною цілою частинкою. Однак, починаючи з деякого значення енергії протона, можуть відбуватись і непружні зіткнення, в яких протон поглинається ядром і повністю віддає йому свою енергію. Ядро кожного ізотопу характеризується строго певним набором * порцій» енергії, які воно може сприйняти. Пояснити властивості ядра у цьому випадку можна за допомогою оболонковоімоделі. Згідно з цією моделлю нуклони в ядрі не перемішані як завгодно, а, подібно до електронів у атомі, розміщуються зв’язаними групами, заповнюючи дозволенні ядерні оболонки.

Таким чином, квантування енергії та ряду інших параметрів є властивістю не лише атомів, а й атомних ядер. Проте між енергетичними діаграмами атомів та атомних ядер є суттєві відмінності. На мал. 293 зображено енергетичну діаграму ядра ізотопу Феруму ijjFe . Зверніть увагу, що енергія, потрібна для переведення атомного ядра у збуджений стан, порядку мегаелек-тронвольт, у той час як для переведення у збуджений стан атома достатньо кількох електронвольт.

Самодовільний перехід атомного ядра із збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням гамма квантів. Гамма-кванти є найбільш короткохвильовим видом електромагнітного випромінювання.

Незважаючи на те, що оболонкова модель атома дає змогу пояснити спектри енергетичних станів, вона, як і краплинна модель, не спроможна пояснити всіх властивостей сильної взаємодії, зокрема обмінний характер ядерних сил. Як ми з’ясуємо згодом, нуклони взаємодіють між собою через третю частинку, якою вони постійно обмінюються.

Дайте відповіді на запитання

1. Які характерні властивості ядерних сил відрізняють їх від інших типів сил -електричних, магнітних, гравітаційних?

2. Не користуючись відповідними таблицями, порівняйте енергії зв’язку таких двох ядер:

3. Нуклони в ядрі мають кінетичну і потенціальну енергії. Яка за модулем сумарна енергія нуклонів більша? Чому?


Приклади розв’язування задач

Задача. Розрахувати енергію зв’язку ядра атома Дейтерію. Відповідь навести в електрон-вольтах. Використати необхідні довідкові дані з таблиць мас ізотопів.

Розв'язання

Енергія зв’язку ядра визначається як Езв = Дтс2, де Am - різниця суми мас вільних частинок, що входять до складу ядра, і маси ядра (дефект маси ядра); с - швидкість світла у вакуумі.

Для знаходження різниці мас використовуємо із таблиць відомості про маси протона трУ нейтрона тп та атома Дейтерію М*н. Для знаходження дефекту маси ядра Дейтерію Am необхідно вирахувати з маси атома дейтерію масу електрона, що утворює його оболонку,

Виконавши розрахунки, отримуємо Am = 0,00239 а. о. м.

Вправа 36

1. Обчислити енергію зв'язку ядра Тритію

2. Визначити енергію зв’язку ядра Алюмінію

3. Визначити енергію зв’язку, яка припадає на один нуклон у ядрах

4. Йони двох ізотопів Урану, що мають однакову валентність, рухаються в магнітному полі мас-спектрографа по дугах кіл з радіусами Rx = 1,224 м і R2 = 1,232 м. Визначити відношення мас ізотопів. Яка маса тх йонів легкого ізотопу (в атомних одиницях маси), якщо маса йонів важкого ізотопу т2 = 238 а.о.м.?






^