Файл: 1. Свет. Интерференция света. Условие максимума и минимума интерференции.docx

28. Состав ядра. Характеристики ядра. Размеры ядер.

Как было показано ранее, любой атом состоит из ядра и двигающихся вокруг него электронов. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, обозначаемых символами p и n. Протон имеет массу в 1836 раз большую массы электрона и положительный заряд, равный заряду электрона. Нейтрон имеет массу близкую к массе протона, заряда у него нет. Обе эти частицы имеют одинаковый спин. Эти частицы часто называют нуклонами (т.е. ядерные частицы).

Ядра атомов характеризуется зарядом, массой, спином, радиусом и рядом других параметров. Количество нуклонов в ядре называют массовым числом А, а количество протонов называют зарядовым числом ядра Z, оно равно числу электронов в соответствующем атоме и атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Количество нейронов в атомном ядре N=A-Z. Ядро элемента X обозначают условно как , например ядро кислорода . Аналогично обозначают протоны и нейтроны . Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов. Например, являются стабильными изотопами ядра Si, а дейтерий и тритий являются стабильными изотопами ядер водорода. Кроме стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы, для которых характерно ограниченное время жизни. Свойства стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго, нестабильные же ядра испытывают различного рода превращения. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с одинаковым числом нейтронов - изотонами.

29. Дефект массы. Энергия связи. Ядерные силы.

Энергия связи ядра. Дефект массы.

Вследствие наличия сильного ядерного взаимодействия, удерживающего нуклоны в ядре, для разделения ядра на отдельные нуклоны необходимо совершить работу и затратить энергию. Эту

---

энергию, необходимую для разделения ядра на составляющие его нуклоны, называют энергией связи ядраЕ_св. Согласно закону сохранения энергии для энергии связи можно записать

Е_Я + Е_св =Е_{Ni ,} (3.1)

где Е_Я - энергия неподвижного ядра, Е_Ni – суммарная энергия отдельных неподвижных нуклонов. Но, согласно Эйнштейну, известно, что энергия покоя любой частицы связана с его массой как Е= mc², поэтому можно записать

Е_св = Е_Ni - Е_Я = Σm_ic² – m_Яc² = (Zm_p + Nm_n – m_Я)) c² , (3.2)

где Σm_i – сумма масс покоящихся нуклонов, m_Я – масса ядра в покое. Так как энергия связи положительна, то получаем соответственно

Σ m_i - m_Я  m >0, (3.3)

полученное соотношение показывает, что масса покоя ядра меньше чем суммарная масса покоя содержащихся в нем нуклонов. Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой точностью, показывают, что действительно масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Величину, равную разности масс нуклонов и массы атомного ядра m называют дефектом массы.

Часто вместо энергии связи используют энергию связи деленную на массовое число (энергия связи на один нуклон) δЕ_св = Е_св/А, которую называют удельной энергией связи. Эта величина так же как энергия связи характеризует устойчивость (прочность, стабильность) атомных ядер: чем больше δЕ_св, тем ядро устойчивее.

Эксперименты по делению ядер на нуклоны показывают, что удельная энергия связи δЕ_св зависит от массового числа А в соответствии с графиком на рисунке 17. Как следует из рисунка, удельная энергия связи сильно увеличивается в области легких ядер и очень немного уменьшается для тяжелых ядер, максимум в 8-8,8 МэВ/нуклон приходится на область с массовыми числами от 50 до 60, что соответствует наиболее стабильным ядрам.

---

Рис.17.Зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа.

При малых А, когда нуклонов мало в ядре, энергия ядерных сил мала, по мере увеличения А энергия значительно возрастает. Далее при увеличении А после А=60 удельная энергия связи постепенно уменьшается и составляет, например, для урана 7,6 МэВ/нуклон. Это уменьшение объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается отрицательная энергия кулоновского отталкивания, связь между нуклонами становится менее сильной, в результате чего ядра – менее прочными. Из зависимости удельной энергии связи от массовых чисел следует, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более тяжелые.

---

Модели ядра: капельная, оболочная. Ядерные силы.

К настоящему времени еще нет последовательно законченной теории ядра, которая объясняла бы все его свойства. Это связано в основном с двумя трудностями: с недостаточностью наших знаний о силах взаимодействия нуклонов в ядре и с тем, что каждое атомное ядро - это квантовая система большого количества сильно взаимодействующих частиц. Поэтому в теории атомного ядра очень важную роль играют модели, достаточно хорошо описывающие определенную совокупность ядерных свойств и допускающие сравнительно простую математическую трактовку. При этом каждая модель обладает, естественно, ограниченными возможностями и не претендует на полное описание ядра. Наиболее популярны две основные модели ядра: капельная и оболочная.

1. Капельная модель является простейшей моделью, в ней атомное ядро рассматривается как капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью (10¹⁴ г/см³). Капельная модель позволила вывести полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра и помогла объяснить ряд других явлений, в частности, процесс деления тяжелых ядер.

2. Оболочная модель является более реалистичной, в ней считается, что каждый нуклон движется в усредненном поле остальных нуклонов ядра и, в соответствии с этим, имеются дискретные энергетические уровни нуклонов, заполненные с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненные оболочки образуют наиболее стабильные ядра, таковыми являются ядра, в которых количество нуклонов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа и соответствующие им ядра называют магическими.

Наблюдаемая в природе стабильность ядер означает, что взаимодействие нуклонов в ядре не может быть сведено к электрическому или гравитационному взаимодействиям. Действительно, между протонами в ядре действуют кулоновские силы отталкивания и гравитационные силы притяжения, но, согласно расчетам, силы притяжения намного меньше сил отталкивания и протоны не могут быть удержаны ими в ядре. Следовательно, в атомных ядрах между нуклонами должно иметь место особое взаимодействие. Это взаимодействие называют сильным ядерным.

---

Ядерные силы – это фундаментальные (основные) силы, действующие между нуклонами и удерживающие их в ядре.

У ядерных сил имеются следующие отличительные особенности:

1. ядерные силы – это силы притяжения, ядерных сил отталкивания не существует;

2. по сравнению с электромагнитными силами они в сотни раз сильнее;

3. эти силы являются короткодействующими и действуют только в пределах ядра (на расстояниях 10^-14м.);

4. они обладают зарядовой независимостью, что проявляется в одинаковости сил взаимодействия различных нуклонов;

5. эти силы не являются центральными, то есть они не действуют вдоль прямой, проходящей через центры взаимодействующих нуклонов;

6. ядерные силы зависят от ориентации спинов нуклонов;

7. обладают свойством насыщения, что проявляется в слабой зависимости энергии взаимодействия, приходящейся на один нуклон, от общего числа нуклонов, это связано с тем, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с примерно одинаковым числом ближайших нуклонов.

30.Ядерные взаимодействие. Обменные взаимодействия между нуклонами.

Си́льное ядерное взаимоде́йствие (цветово́е взаимоде́йствие, я́дерное взаимоде́йствие) — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов — протоны и нейтроны) в ядрах.

Взаимодействие нуклонов в атомном ядре

---