что показывает заряд ядра атома

Ядра атомов: в самом сердце материи

Рис. 1

Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.

Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.

Содержимое ядра

Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.

1. Протон и нейтрон отличаются по массе всего лишь на тысячную часть, так что если нам не нужна чрезвычайная точность, можно сказать, что у всех нуклонов масса одинакова, и назвать её массой нуклона, m_нуклон:

(≈ означает «примерно равно»)

2. Количество энергии, необходимой для удержания вместе протонов и нейтронов в ядре, относительно мало – порядка тысячной доли части энергии массы (E = mc 2 ) протонов и нейтронов, так что масса ядра почти равна сумме масс его нуклонов:

3. Масса электрона равняется 1/1835 массы протона – так что почти вся масса атома содержится в его ядре:

Тут подразумевается наличие четвёртого важного факта: все атомы определённого изотопа определённого элемента одинаковы, как и все их электроны, протоны и нейтроны.

Поскольку в самом распространённом изотопе водорода содержится один электрон и один протон:

масса атома M_атом определённого изотопа просто равна Z+N, помноженному на массу атома водорода

и погрешность этих уравнений примерно равна 0,1%.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, электрический заряд Q_ядро ядра просто равен количеству протонов, помноженному на электрический заряд протона («e»):

В отличие от предыдущих уравнений, это уравнение выполняется точно.

Эти уравнения проиллюстрированы на рис. 2

Рис. 2

Используя открытия последних десятилетий XIX века и первых десятилетий XX, физики знали, как измерить в эксперименте оба обозначенных красным значения: заряд ядра в e, и массу любого атома в атомах водорода. Так что эти значения были известны уже в 1910-х. Однако правильно интерпретировать их смогли только в 1932 году, когда Джеймс Чедвик определил, что нейтрон (идею которого предложил Эрнест Резерфорд в 1920-м) является отдельной частицей. Но как только стало понятно, что нейтроны существуют, и что их масса практически равна массе протона, сразу же стало ясно, как интерпретировать числа Z и N — количество протонов и нейтронов. А также сразу родилась новая загадка – почему у протонов и нейтронов почти одинаковая масса.

Честно говоря, физикам того времени с научной точки зрения страшно повезло, что всё это было так легко установить. Закономерности масс и зарядов настолько просты, что даже самые долгие загадки были раскрыты сразу после открытия нейтрона. Если бы хотя бы один из перечисленных мною фактов природы оказался неверным, тогда на то, чтобы понять, что происходит внутри атомов и их ядер, ушло бы гораздо больше времени.

Рис. 3

Откуда нам известно, что ядро атома маленькое?

Одно дело – убедить себя, что определённое ядро определённого изотопа содержит Z протонов и N нейтронов; другое – убедить себя, что ядра атомов крохотные, и что протоны с нейтронами, будучи сжатыми вместе, не размазываются в кашу и не разбалтываются в месиво, а сохраняют свою структуру, как подсказывает нам мультяшное изображение. Как это можно подтвердить?

Я уже упоминал, что атомы практически пусты. Это легко проверить. Представьте себе алюминиевую фольгу; сквозь неё ничего не видно. Поскольку она непрозрачная, вы можете решить, что атомы алюминия:
1. Настолько крупные, что между ними нет просветов,
2. Настолько плотные и твёрдые, что свет сквозь них не проходит.

Насчёт первого пункта вы будете правы; в твёрдом веществе между двумя атомами почти нет свободного пространства. Это можно наблюдать на изображениях атомов, полученных при помощи особых микроскопов; атомы похожи на маленькие сферы (краями которых служат края электронных облаков), и они довольно плотно упакованы. Но со вторым пунктом вы ошибётесь.

Рис. 4

Если бы атомы были непроницаемыми, тогда сквозь алюминиевую фольгу ничто не смогло бы пройти – ни фотоны видимого света, ни рентгеновские фотоны, ни электроны, ни протоны, ни атомные ядра. Всё, что вы направили бы в сторону фольги, либо застревало бы в ней, либо отскакивало бы – точно так же, как любой кинутый объект должен отскочить или застрять в гипсокартонной стенке (рис. 3). Но на самом деле электроны высокой энергии легко могут пройти через кусочек алюминиевой фольги, как и рентгеновские фотоны, высокоэнергетические протоны, высокоэнергетические нейтроны, высокоэнергетические ядра, и так далее. Электроны и другие частицы – почти все, если точнее – могут пройти через материал, не потеряв ни энергии, ни импульса в столкновениях с чем-либо, содержащимся внутри атомов. Лишь малая часть их ударится об атомное ядро или электрон, и в этом случае они могут потерять большую часть своей начальной энергии движения. Но большая часть электронов, протонов, нейтронов, рентгеновских лучей и всякого такого просто спокойно пройдут насквозь (рис. 4). Это не похоже на швыряние гальки в стену; это похоже на швыряние гальки в сетчатый забор (рис. 5).

Рис. 5

Чем толще фольга – к примеру, если складывать всё больше и больше листов фольги вместе – тем вероятнее частицы, запущенные в неё, столкнуться с чем-либо, потеряют энергию, отскочат, изменят направление движения или даже остановятся. То же было бы верно, если бы вы наслаивали одну за другой проволочные сетки (рис. 6). И, как вы понимаете, из того, насколько далеко средняя галька может проникнуть сквозь слои сетки и насколько велики разрывы в сетке, учёные могут подсчитать на основании пройденной электронами или атомными ядрами дистанции, насколько атом пустой.

Рис. 6

Посредством таких экспериментов физики начала XX века установили, что внутри атома ничто – ни атомное ядро, ни электроны – не может быть большим, чем одна тысячная миллионных миллионных долей метра, то есть в 100 000 раз меньше самого атома. То, что такого размера достигает ядро, а электроны по меньшей мере в 1000 раз меньше, мы устанавливаем в других экспериментах – например, в рассеянии высокоэнергетических электронов друг с друга, или с позитронов.

Чтобы быть ещё более точным, следует упомянуть, что некоторые частицы потеряют часть энергии в процессе ионизации, в котором электрические силы, действующие между летящей частицей и электроном, могут вырвать электрон из атома. Это дальнодействующий эффект, и столкновением на самом деле не является. Итоговая потеря энергии значительна для летящих электронов, но не для летящего ядра.

Вы можете задуматься над тем, похоже ли то, как частицы проходят сквозь фольгу, на то, как пуля проходить сквозь бумагу – расталкивая части бумаги в стороны. Возможно, первые несколько частиц просто расталкивают атомы в стороны, оставляя большие отверстия, через которые проходят последующие? Мы знаем, что это не так, поскольку мы можем провести эксперимент, в котором частицы проходят внутрь и наружу контейнера, сделанного из металла или стекла, внутри которого вакуум. Если бы частица, проходя через стенки контейнера, создавала отверстия по размеру превышающие атомы, тогда внутрь устремились бы молекулы воздуха, и вакуум бы исчез. Но в таких экспериментах вакуум остаётся!

Также довольно легко определить, что ядро – это не особенно структурированная кучка, внутри которой нуклоны сохраняют свою структуру. Об этом уже можно догадаться по тому факту, что масса ядра очень близка к сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Это выполняется и для атомов, и для молекул – их массы почти равны сумме масс их содержимого, кроме небольшой коррекции на связывающую энергию – и это отражено в том факте, что молекулы довольно легко разбить на атомы (к примеру, нагрев их так, чтобы они сильнее сталкивались друг с другом), и выбить электроны из атомов (опять-таки, при помощи нагрева). Сходным образом относительно легко разбить ядра на части, и этот процесс будет называться расщеплением, или собрать ядро из более мелких ядер и нуклонов, и этот процесс будет называться синтезом. К примеру, относительно медленно двигающиеся протоны или небольшие ядра, сталкивающиеся с более крупным ядром, могут разбить его на части; нет необходимости, чтобы сталкивающиеся частицы двигались со скоростью света.

Рис. 7

Но чтобы понять, что это не является неизбежным, упомяну, что этими свойствами не обладают сами протоны и нейтроны. Масса протона не равняется примерной сумме масс содержащихся в нём объектов; протон нельзя разбить на части; а для того, чтобы протон продемонстрировал что-нибудь интересное, необходимы энергии, сравнимые с энергией массы самого протона. Молекулы, атомы и ядра относительно просты; протоны и нейтроны чрезвычайно сложны.

Источник

Ядро атома. Ещё раз о причине периодичности.

Ядро атома. Ещё раз о причине периодичности и природе заряда.

Кое-что о природе заряда ядра говорит известный закон английского учёного Генри Мозли (1913 г.). Закон Мозли прост: частота характеристического рентгеновского излучения химического элемента есть линейная функция его порядкового номера (Z). Порядковый номер элемента соответствует заряду ядра элемента, иначе, количеству протонов в ядре атома элемента. Однако в ядре атома есть не только протоны, но и нейтроны, частицы без заряда. Количество протонов и нейтронов в ядре примерно равно. Так что заряд ядра равен половине массы ядра. В рентгеновском аппарате на видео происходит вот что. Ускоренные электроны в поле электрического потенциала в 35 тысяч вольт бьют с большой силой в антикатод, сделанный из трёх разных элементов: железа, меди и молибдена (по очереди). Возникает тормозное рентгеновское излучение сплошного спектра. При большой энергии электронов возникает не только сплошной спектр рентгеновского излучения, но и характеристическое излучение в виде пиков, максимумов. Но, чтобы увидеть такую картинку, излучение должно пройти через дифракционную решетку кристалла, который поворачивается на угол в 30 градусов. Волны излучения огибают узлы решетки кристалла под разными углами, образуя общую картину спектра. Для каждых атомов химических элементов пики на шкале частот излучения свои, единственные. Чем тяжелее ядро атома – тем короче длина излучаемых волн, больше их энергия.

Принято считать, что энергичные электроны выбивают электроны у атомов элементов антикатода, выбивают из ближних к ядру электронных оболочек К и L. Опустевшее место занимают электроны с верхних оболочек, испуская рентгеновские фотоны. На самом деле картина не так проста и понятна. Сомнение вызывает само существование электронных оболочек вокруг ядра атома. Дело в том, что и само ядро атома имеет оболочечную структуру. Частицы ядра тоже располагаются в определённой последовательности, своим порядком. Никакого хаоса в движении ядерных частиц нет. Получается так, что природа продублировала структуру ядер и структуру электронных оболочек, пусть не совсем в точности, но всё же. Прежний опыт нам говорит, что на дублирование такого рода природа скупа, и вряд ли будет здесь повторяться. В действительности мы имеем дело только с ядрами и волновыми полями вокруг ядер. Вся масса атома сосредоточена в ядре (99,9%), и сомнительно, чтобы лёгкие электроны отвечали за все физические и химические особенности атомов. В формуле закона Мозли, совсем без ущерба для главной идеи, можно величину Z заменить величиной массы ядра. И тогда характеристическая частота рентгеновского излучения будет линейной функцией массы элемента (массы ядра). Это даже ближе к мысли Д. И. Менделеева, ведь изначально он строил свою Периодическую систему элементов по возрастанию атомных масс (весов). И формула Мозли будет выглядеть более соответственно: частота характеристического рентгеновского излучения (энергия фотона) пропорциональна массе (полной энергии) ядра.

Закон Мозли говорит о линейности, о строгой последовательности появления характеристических рентгеновских частот. Никакой периодической зависимости, периодической изменчивости тут не наблюдается. Получается так, что заряд ядра вовсе не связан с явлением периодичности, с периодической повторяемостью свойств элементов. С периодичностью связана другая особенность ядра – особенность структуры, строение ядра и характер движения частиц ядра. Периодически изменяется (с последовательным прибавлением частиц) характер их движения, и периодически изменяются физические и химические свойства элементов. Свойства элементов связаны с устойчивостью, с симметричностью или асимметричностью динамических комбинаций ядерных частиц (нуклонов). А уж устойчивость, симметричность и асимметричность системы определяются периодическим характером движения самих частиц и периодическим механизмом их связи. Закон Мозли лишь чётко указывает на прямой рост энергии ядер с ростом их массы. Чем массивнее, тяжелее ядра, тем с большими энергиями движутся их частицы, с большей частотой вращаются в своих ядерных оболочках.

Извините, коли речь зашла о природе атомного ядра и причине периодичности, то мне надо вспомнить мою давнюю научную идею, изображаемую спиральным вариантом Периодической системы химических элементов Менделеева. Не буду теорию излагать здесь целиком, лишь отмечу главный принцип. А именно, решающее значение в ядерной связи частиц, в динамической устойчивости частиц в ядерной оболочке имеет их значение угловых моментов в Пи радианах. Все устойчивые ядерные оболочки имеют в сумме угловой момент (момент вращения), кратный 2Пи, иначе, принцип целочисленности волн де Бройля. Нарушение целочисленности, симметричности структуры ядерной оболочки ведёт к появлению у атома тех или иных свойств, к появлению способности вступать в связь с другими элементами. Интересен механизм того, как атом одного элемента вступает в крепкую связь с атомом или атомами других элементов, где тут «зацепки», «крючки»… Сегодня связь между атомами объясняют взаимодействием статических электрических зарядов. Связь делят на ионную, ковалентную, металлическую. Атомы либо отдают свой отрицательный заряд, либо получают, либо обобществляют, лишь бы в итоге иметь устойчивую конфигурацию внешней оболочки благородных газов с минимумом энергии. Вникать в проблему природы этого самого электрического заряда никому не хочется, заряды есть – и ладно! С этим «мусором под ковром» мы пережили весь двадцатый век и с ним же вошли в двадцать первый. Хотя всем разумным людям понятно, что никакого статического поля электрического заряда нет. Поля есть, но они представляют собой поля беспрерывного кручения, вращения. Левый винт кручения, условно говоря, соответствует заряду плюс, правый винт – минус. Отвечает за появление этих самых зарядов круговое вращение протона. Протон, являясь симметричным радиальным колебанием среды вакуума (дыхание вакуума), способен, как целое, двигаться поступательно и вращательно, образуя тор, кольцо. Вот это кольцо и есть диполь, магнетон, основа всякого атома, ядра атома.

С какой бы скоростью в заполненной ядерной оболочке ни вращался протон в круговом движении, и с каким бы радиусом, но его угловой момент вращения в любой момент времени будет всегда кратен 1/4 Пи радиан. В сумме все вращающиеся протоны в устойчивой заполненной ядерной оболочке дают величину углового момента 2Пи. В Периодической системе (спиральный вариант) у элементов первой, второй и третьей группы в движении ядерных частиц наблюдается асинхронность, что тождественно здесь со смещённой синхронностью. Причина – опережение фазы углового момента на величину, кратную 1/4 Пи. Дополнительные прибавляющиеся частицы вносят в согласованное движение частиц ядерной оболочки смещение фазы углового момента. У элементов первой группы – на 1/4 Пи, у элементов второй группы – на 1/2 Пи, у элементов третьей группы – на 3/4 Пи. Четвертая группа системы элементов – водораздел, отделяющая так называемые электроположительные элементы от электроотрицательных элементов. Элементы четвёртой группы углерода (Пи) могут быть и электроположительными, и электроотрицательными. Элементы пятой (5/4 Пи), шестой (3/2 Пи) и седьмой (7/4 Пи) группы системы являются электроотрицательными, потому что охотно прибирают себе электроны элементов первых трёх групп. В движении частиц ядер элементов 5, 6 и 7 групп системы происходит запаздывание фазы углового момента, что тоже вызывает асинхронность общего движения ядерных частиц. Асинхронность с обратным знаком. Как видите, электроположительность и электроотрицательность объясняются здесь лишь смещением фазы углов орбитальных моментов вращающихся протонов. Соединение «электроотрицательных» элементов с «электроположительными» обусловлено явлением синхронизации. Асинхронность движения ядерных частиц элемента с опережающей фазой углового момента соединяется с асинхронностью элемента с запаздывающей фазой углового момента и получается синхронность, согласование, гармония в общем движении частиц, целочисленность Пи радиан. Пример: молекула поваренной соли, связь атома натрия с атомом хлора. Ядро атома натрия – опережающая асинхронность фазы 1/4 Пи. Ядро атома хлора – запаздывающая асинхронность фазы 7/4 Пи. В сумме две асинхронности дают синхронность 2Пи. Другой пример, более сложный, где связь образуют как бы два элемента запаздывающей фазы – молекула воды: атом кислорода (6/4 Пи) и два атома водорода (7/4 Пи). Дело в том, что водород ярко проявляет двойственные свойства: и щелочных металлов (1 группа), и галогенов (7 группа). Ядро атома кислорода – запаздывающая асинхронность фазы 6/4 Пи. Два ядра атома водорода – в сумме запаздывающая асинхронность фазы 14/4 Пи. В итоге – 5 Пи. Когда же водород идёт опережающей асинхронностью фазы первой группы, то итог суммы – 2 Пи. То есть, несмотря на простоту трактовки – тут не всё так просто и однозначно. Позвольте на этом остановиться. Гипотеза очерчена достаточно.

Вот так, с Божьей помощью, мы сможем со временем преодолеть зарядовый мистицизм. Ведь надо, наконец, выметать сор из-под ковра и наводить тут элементарный порядок. Ведь стыдно, на дворе – двадцать первый век, а мы до сих пор используем представления и образы восемнадцатого века! Ломоносов не побоялся изгнать теплород из научного обихода. А нам-то что мешает изгнать давно устаревшее представление об электрическом заряде?! Да, привыкли, удобно, просто, без затей… Плюс и минус – притягиваются; Плюс и плюс – отталкиваются. Красота! Мир частиц, атомов – это мир колебаний и периодических движений. Так и надо искать такие особенности периодических движений, которые наглядно и непротиворечиво давали бы нам понимание законов этого мира, в том числе – природу заряда.

Источник

Физика атомного ядра

Радиоактивность. Альфа-распад. Бета-распад. Гамма-излучение

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений.

Явление естественной радиоактивности открыл в 1896 году французский физик А. Беккерель. Проводя опыты с солями урана, он заметил, что они самопроизвольно испускают лучи неизвестной природы, которые проходят через бумагу, дерево, металлические пластины и делают воздух проводником электричества.

Радиоактивность данного химического элемента не зависит от того, является ли химический элемент чистым или входит в состав какоголибо химического соединения. Радиоактивность не зависит от внешних условий: температуры, освещения, давления. Это означает, что радиоактивность представляет собой внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента.

Виды радиоактивных излучений

Излучение радиоактивных веществ имеет сложный характер и состоит из трех видов излучений. Если радиоактивное излучение пропустить через электрическое и магнитное поля, то оно распадается на три части, две из них отклоняются в противоположные стороны, а третий не отклоняется.

При одинаковой энергии частиц разные виды излучений неодинаково взаимодействуют с веществом.

Радиоактивный распад – самопроизвольный распад атомов радиоактивного вещества, в результате которого ядра одних химических элементов превращаются в ядра других химических элементов.

Распадающееся ядро Х называется материнским ядром, ядро продукта распада Y – дочерним ядром.

Правила радиоактивного смещения

Это правила, позволяющие установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.

​ \( \gamma \) ​-излучение сопровождает ​ \( \alpha \) ​- и ​ \( \beta \) ​-распады, а также возникает при ядерных реакциях, торможении частиц, их распаде и т. д.

Биологическое действие радиоактивных излучений

Методы защиты от внешнего радиоактивного облучения:

Методы защиты от внутреннего радиоактивного облучения:

В дозиметрии различают поглощенную и эквивалентную дозы.

Поглощенная доза равна энергии радиоактивного излучения, поглощенного единицей массы вещества.

Обозначение – ​ \( D \) ​, единица измерения в СИ – грей (Гр).

где ​ \( E \) ​ – энергия излучения; ​ \( m \) ​ – масса вещества.

Для характеристики биологического воздействия на организм используется коэффициент качества излучения ​ \( (k) \) ​, или коэффициент относительной биологической активности.

​ \( k \) ​ = 1 для ​ \( \gamma \) ​-квантов, ​ \( k \) ​ = 3 для тепловых нейтронов, ​ \( k \) ​ = 10 для нейтронов с энергией порядка 0,5 МэВ.

Эквивалентная доза равна произведению коэффициента качества излучения и поглощенной дозы.

Обозначение – ​ \( H \) ​, единица измерения в СИ – зиверт (Зв).

1 зиверт – это эквивалентная доза, при которой поглощенная доза равна 1 Гр при коэффициенте качества, равном 1.

Естественный фон составляет 2 мЗв за год.

Предельно допустимая доза – 5 мЗв за год.

При дозе 0,5 Зв наступает острое лучевое поражение организма.

Допустимая доза облучения за среднее время жизни человека (70 лет) составляет 0,35 Зв.

Закон радиоактивного распада

Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Радиоактивный распад любого ядра является случайным процессом, поэтому момент его распада предсказать невозможно.

Однако для большого числа частиц, находящихся в образце вещества, выполняется статистический закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада:
число нераспавшихся атомных ядер при естественном радиоактивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина способных к распаду ядер.

В начальный момент времени ​ \( t \) ​ = 0, число атомных ядер ​ \( N_0 \) ​.

Через промежуток времени, равный периоду полураспада ​ \( t=T_ <1>\) ​, число атомных ядер ​ \( N=\frac <2>\) ​.

где ​ \( N \) ​ – число нераспавшихся атомных ядер к моменту времени ​ \( t \) ​; ​ \( N_0 \) ​ – начальное число атомных ядер; ​ \( T_ <1>\) ​ – период полураспада.

На рисунке период полураспада соответствует времени, в течение которого число радиоактивных ядер (активность) уменьшается вдвое.

Нуклонная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра

Элементарные частицы:

Нуклон – это частица, входящая в состав атомного ядра.

Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.

Массовое число – это число, которое определяет количество протонов и нейтронов в ядре и равно округленному до целого значению массы атомного ядра в а.е.м.

Обозначение – ​ \( A \) ​, единица измерения – 1 атомная единица массы (а.е.м.).

Массовое число равно сумме количества протонов и нейтронов в ядре:

где ​ \( A \) ​ – массовое число; ​ \( Z \) ​ – количество протонов в ядре; ​ \( N \) ​ – количество нейтронов в ядре.

Зарядовое число – это число, которое показывает количество протонов в ядре.

Зарядовое число равно сумме зарядов протонов, входящих в состав ядра, выраженной в элементарных электрических зарядах.

Элементарный электрический заряд равен заряду электрона:

​ \( Z \) ​ – порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Если некоторый химический элемент обозначить ​ \( <>^A_ZX \) ​, это означает, что в его ядре ​ \( Z \) ​ – протонов и ​ \( N=A-Z \) ​ – нейтронов.

Измерения массы атомов показали, что практически все химические элементы имеют изотопы.

Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но отличающиеся количеством нейтронов в ядре.

Изотопы водорода: водород имеет два стабильных изотопа – водород ​ \( <>^1_1H \) ​, дейтерий ​ \( <>^2_1H \) ​ и один радиоактивный изотоп тритий ​ \( <>^3_1H \) ​.

Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.

Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.

Свойства ядерных сил:

Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.

Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:

где ​ \( M \) ​ – масса ядра.

Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:

где ​ \( \Delta m \) ​ – дефект масс.

Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.

Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:

где ​ \( \Delta E_ <св>\) ​ – энергия связи, ​ \( c \) ​ – скорость света.

Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Энергетический эквивалент 1 а.е.м.

Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:

В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:

где ​ \( A \) ​ – массовое число.

Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом ​ \( A \) ​ ≈ 100). У тяжелых ядер (​ \( A \) ​ ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением ​ \( Z \) ​ кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Ядерные реакции. Деление и синтез ядер

Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.

Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия, α-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей.

Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами. Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка 105 МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют ​ \( \alpha \) ​-частицы (максимально 9 МэВ). Во-вторых, можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд протонов вдвое меньше заряда α-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих, можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.

Наиболее распространенный вид ядерной реакции:

где ​ \( X \) ​ и ​ \( Y \) ​ – исходное и конечное ядра; ​ \( a \) ​ и ​ \( b \) ​ – бомбардирующая и испускающая частицы.

Эндотермическая реакция – это реакция с поглощением энергии:

Экзотермическая реакция – это реакция с выделением энергии:

При ядерных реакциях выполняются следующие законы.

Примеры ядерных реакций

Изотоп фосфора оказался радиоактивным: его ядро распадается с испусканием позитрона и нейтрино:

Классификация ядерных реакций

Ядерные реакции классифицируются:

Деление ядер – это деление атомного ядра урана на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Механизм деления ядер (капельная модель)

В тяжелых ядрах действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на два осколка X и Y.

Под действием сил кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной приблизительно 1/30 скорости света. Одновременно испускается излучение высокой частоты.

В 1939 году было обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием 2–3 нейтронов:

Эти нейтроны способны вызвать деление 2–3 новых ядер урана с испусканием 4–9 новых нейтронов и т. д., процесс может продолжаться самостоятельно, вовлекая все большее число новых ядер.

Условия протекания цепной ядерной реакции:

Минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной ядерной реакции, называется критической массой.

Устройства, в которых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции, называются ядерными реакторами.

Основные элементы ядерного реактора:

Термоядерный синтез

График зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа показывает, что кроме реакции деления тяжелых ядер с выделением энергии идут реакции синтеза легких ядер.

Синтез ядер – это слияние ядер в одно ядро, сопровождающееся выделением энергии.

Для осуществления реакции синтеза легких ядер требуются высокие энергии сливающихся частиц, так как необходимо преодолеть кулоновское отталкивание. Этого можно достичь за счет высокой температуры вещества.

Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысоких температурах (порядка 10 7 К и выше).

В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд.

При термоядерном синтезе энергетический выход на единицу массы топлива оказывается выше, чем при реакции деления тяжелых ядер урана.

Пример реакции синтеза:

Синтез гелия из тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – происходит при температуре около 5·10 7 К.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется 4,2·10 11 Дж – такая же энергия выделяется при сгорании 10 т дизельного топлива.

Термоядерный синтез может стать одним из возможных альтернативных источников энергии. Поиск таких источников энергии важен, так как запасы нефти и газа на Земле ограничены.

В настоящее время ведется испытание установок для осуществления управляемых термоядерных реакций синтеза гелия из водорода. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы. Количество дейтерия в океанической воде составляет примерно 4·10 11 т, чему соответствует энергетический запас 10 17 МВт·год. Наиболее заманчивой является возможность извлечения энергии дейтерия, содержащегося в обычной воде.

Источник