Строение атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Удельная энергия связи ядер

На­ли­чие ядра у атома было до­ка­за­но Э. Ре­зер­фор­дом в 1911 году. В 1913 году Г. Мозли, ана­ли­зи­руя ха­рак­те­ри­сти­че­ские рент­ге­нов­ские спек­тры, до­ка­зал, что по­ряд­ко­вый номер эле­мен­та равен за­ря­до­во­му числу ядра. В 1919 году Э. Ре­зер­форд от­крыл, что про­тон водит в со­став всех ядер. Он вы­пол­нил первую ру­ко­твор­ную ядер­ную ре­ак­цию, в ко­то­рой азот бом­бар­ди­ро­вал­ся яд­ра­ми гелия, в ре­зуль­та­те по­яв­лял­ся кис­ло­род и во­до­род, об­ра­зо­вав­ший­ся из про­то­на.

Было до­ка­за­но, что из ядра вы­ле­та­ют α-, β- и γ-ча­сти­цы.

Мо­де­ли атом­но­го ядра

1.    Про­тон­но-элек­трон­ная мо­дель атом­но­го ядра (Рис. 1)

Ко­ли­че­ство про­то­нов в ядре равно мас­со­во­му числу, а элек­тро­ны ком­пен­си­ру­ют до за­ря­до­во­го числа заряд ядра.

Рис. 1. Про­тон­но-элек­трон­ная мо­дель атом­но­го ядра

В 1927 году Гей­зен­берг до­ка­зал лож­ность дан­ной мо­де­ли.

В 1932 году Д. Чеб­двик, вы­пол­няя по схеме Ре­зер­фор­да ре­ак­цию с бе­рил­ли­ем (бе­рил­лий бом­бар­ди­ро­вал­ся α-ча­сти­ца­ми), об­на­ру­жил бе­рил­ли­е­вое из­лу­че­ние. И до­ка­зал, что в этом из­лу­че­нии при­сут­ству­ет ней­траль­ная ча­сти­ца – ней­трон.

2.   Про­тон­но-ней­трон­ная мо­дель атом­но­го ядра (Рис. 2)

В ядро вхо­дят толь­ко про­то­ны и ней­тро­ны. Общее их ко­ли­че­ство равно мас­со­во­му числу ядра, а ко­ли­че­ство про­то­нов равно за­ря­до­во­му числу.

Рис. 2. Про­тон­но-ней­трон­ная мо­дель атом­но­го ядра

С вы­со­кой точ­но­стью были из­ме­ре­ны массы про­то­на и ней­тро­на:

m_p = 1,0072764701~1,00728 а.е.м.

m_n = 1,0086649041~ 1,00866 а.е.м.

Позд­нее ока­за­лось, что про­тон и ней­трон яв­ля­ют­ся двумя со­сто­я­ни­я­ми ча­сти­цы – нук­ло­на (N). Были от­кры­ты ре­ак­ции пре­вра­ще­ния ней­тро­на в про­тон и про­то­на в ней­трон:

где :   – по­зи­трон.

По со­вре­мен­ным пред­став­ле­ни­ям, ядро со­сто­ит из про­то­нов и ней­тро­нов. Число про­то­нов = Z, число ней­тро­нов = M-Z, число нук­ло­нов = М.

У раз­ных изо­то­пов раз­ное мас­со­вое число.

 Изо­то­пы – это эле­мен­ты оди­на­ко­во­го обо­зна­че­ния, име­ю­щие оди­на­ко­вый заряд, но раз­ное ко­ли­че­ством нук­ло­нов.

Ядер­ные изо­ба­ры – раз­ные эле­мен­ты с оди­на­ко­вым ко­ли­че­ством нук­ло­нов.

Между про­то­на­ми в ядре су­ще­ству­ют осо­бые силь­ные вза­и­мо­дей­ствия на рас­сто­я­ни­ях при­мер­но 10^-15 метра. Между нук­ло­на­ми, со­став­ля­ю­щи­ми ядро, вза­и­мо­дей­ствия оди­на­ко­вы. И это вза­и­мо­дей­ствие осу­ществ­ля­ет­ся пи­о­на­ми. Ра­ди­ус дей­ствия: r_π~ 1,41*10^-15м = 1,41 Ф.

Плот­ность ядер­но­го ве­ще­ства: ρ_я~10¹⁷ кг/м³.

Эф­фек­тив­ный раз­мер атом­ных ядер: R=a*.

Су­ще­ству­ют ма­ги­че­ские числа: 2, 8, 20, 28, 50 82 и 126. Если число про­то­нов или ней­тро­нов, или и того и того вме­сте со­от­вет­ству­ет ка­ко­му-ни­будь ма­ги­че­ско­му числу, то это ядро яв­ля­ет­ся устой­чи­вым об­ра­зо­ва­ни­ем. Если не со­от­вет­ству­ет, то ядро яв­ля­ет­ся неустой­чи­вым и воз­мо­жен его рас­пад.

Де­фект масс.

а.е.м. – это 1/12 часть изо­то­па уг­ле­ро­да .

Масса всего атома уг­ле­ро­да  со­став­ля­ет 12 а.е.м. Ядро со­сто­ит из 12 нук­ло­нов, а каж­дый из них имеет массу боль­шую, чем 1 а.е.м.:

m_n  ~1,00866 а.е.м.

m_p~1,00728 а.е.м.

Если сло­жить массу всех нук­ло­нов, ко­то­рые со­дер­жат­ся в ядре:

6* m_p+ 6* m_n  = 6*1,00728+6*1,00866 = 12,09546 > 12

Это свя­за­но с тем, что при объ­еди­не­нии нук­ло­нов в ядро, про­ис­хо­дит вы­де­ле­ние энер­гии. Это вы­де­ле­ние энер­гии при­во­дит к умень­ше­нию общей массы. Так по­лу­ча­ет­ся де­фект масс (Δm).

Δm = Z* m_p+(M-Z)* m_n- m_я

m_я = m_атома – Z* m_e, где m_e= 0,00055 а.е.м.

Δm = Z* m_p+(M-Z)* m_n- m_атома + Z* m_e

Зная де­фект масс, можно вы­чис­лить энер­гию связи атом­но­го ядра:

E_св = Δm*с² [Дж]=931* Δm [МэВ]

с – ско­рость света

При­мер №1

   ^_ Z = 6, M – Z = 6

Δm = 6*1,00783+6*1,00866-12 = 0,09894 а.е.м.

E_св = 931*0,09894 = 92,1 МэВ – столь­ко энер­гии вы­де­ля­ет­ся при об­ра­зо­ва­нии ядра атома уг­ле­ро­да.

1[МэВ]=1,6 *10^-13[Дж]

Удель­ная энер­гия связи – это энер­гия связи ядра, рас­счи­тан­ная на 1 нук­лон. Для раз­ных ядер она имеет раз­ные зна­че­ния.

Два спо­со­ба по­лу­че­ния ядер­ной энер­гии:

1. Син­тез лег­ких ядер (осу­ществ­ля­ет­ся на Солн­це).

2. Де­ле­ние тя­же­лых ядер.