Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

Існування ізотонів установив у 1910 р. англійський фізик Ф. Содді. Усі 

ХІМІЧНІ

 елементи (крім технецію

  4 3

 Тс і прометію ^{Рш) мають ізотопи. 

Наприклад, водень має три нукліди: легкий з ядрохМ | Н (протій), важкий з 
ядром }

2

Н (дейтерій) і штучний з ядром

 3

Н (тритій). Уран (2 = 92) має 

12 ізотопів з масовими числами від

 А

 = 228 до

 А =

 239 . Усі хімічні еле-

менти - це природні суміші ізотопів. Тому кожний хімічний елемент має 
відносну атомну масу, яка є середнім значенням атомних мас усіх його 

ізотопів. 

Фізичні властивості ізотопів трохи відмінні від стабільних елементів. 

Наприклад, температура кипіння протію 20,39 К, а дейтерію 23,57 К . 

Ядра, які мають те саме

 А

 при різних

 2,

 називають

 ізобарами

. Прикла-

дом

 ізобарної пари можуть бути і ^ Аг, ізобарної тріади -

 5202

Ті; 

23

 V; 24Сг. Ядро має спін, який дорівнює векторній сумі спінів нуклонів, 

що утворюють його. За усталеною термінологією, під спіном частинки 

або

 ядра розуміють спінове квантове число. Спінові квантові числа про-

тонів і нейтронів дорівнюють 1/2. Для обчислення спіну ядра має значен-

ня парність або непарність чисел

 2

 і

 N.

 Спін ядра, яке складається з пар-

ної кількості нуклонів, є цілим числом або нулем. Спін ядра, яке склада-
ється з непарної кількості нуклонів, - півцілий. 

Внаслідок того, що нуклони, які входять до складу

 ядра, мають 

хвильові властивості, атомне ядро не має різко виражених

 меж» 

Під

 радіусом атомних ядер

 розуміють лінійні розміри області, в якій 

проявляється дія ядерних сил. Експериментальні дані з розсіювання ос -час-
тинок речовиною дали можливість установити емпіричну формулу для 
обчислення радіуса ядра:

 К = К$А

ХІ2>

, де »(1,2-П,7)10~

15

 м. 

Об'єм ядра пропорційний кількості нуклонів

 А,

 які входять до нього; 

це означає, що нуклони в усіх ядрах упаковані приблизно з однаковою 
густиною. Густина ядерної речовини велика, і її значення приблизно від-
повідає р = 2 10

11

 кг/м

3

, тобто близько 200 млн т в 1 см

3

. 

§ 246. Дефект маси, 

енергія зв'язку і стійкість атомних

 ядер 

Більшість ядер - це стійкі утворення, хоч між протонами, що 

входять до складу ядра, діють сили кулонівського відштовхування. 

Стійкість атомних ядер означає, що між нуклонами в ядрах існує пев-

на взаємодія. Про міцність того або іншого утворення роблять висновки з 

580 

того, наскільки легко або важко зруйнувати його: чим важче його зруйну-

вати, тим воно міцніше. Зруйнувати ядро - це значить розірвати зв'язки 
між його нуклонами, або, інакше кажучи, виконати роботу проти сил 
зв'язку між ними. Такий підхід, що ґрунтується на законі збереження енер-
гії, дає можливість зробити ряд важливих висновків про специфіку тих 
зв'язків, які утримують нуклони в ядрі. 

Введемо поняття енергії зв'язку окремого нуклона в ядрі, тобто

 пито-

мої енергії зв язку АЕ

пт

. Це фізична величина, що дорівнює роботі, яку 

треба виконати, щоб видалити нуклон з ядра.

 Повна енергія зв'язку ядра 

визначається роботою, яку треба виконати, щоб розщепити ядро на нук-

пони, які його утворюють. Із закону збереження енергії випливає, що при 

утворенні ядра виділяється енергія, необхідна для розщеплення ядра на 

муклони, з яких воно складається. Повну енергію зв'язку ядра характери-

зує величина

 Ат,

 яку називають

 дефектом маси.

 Під дефектом маси ро-

зуміють різницю між сумою мас протонів і нейтронів, які перебувають у 

вільному стані, і масою утвореного з них ядра. Якщо ядро з масою

 М

я

, 

утворене із

 2

 протонів з масою

 т

р

 кожний, із

 (А-2)

 нейтронів з ма-

сою

 т

п

 кожний, то 

Ат=2т

р

+(А-2)т

п

 -М

я

.

 (25.4) 

Наявність дефекту маси показує, що для повного розщеплення ядра на 

нуклони (протони і нейтрони), які його утворюють, необхідно затратити 

енергію 

АЕ

зв

=Атс

2

.

 (25.5) 

Величину

 АЕ

ЗВ

 називають

 енергією зв'язку (повною енергією зв'язку). 

І іона є безпосередньою мірою стійкості ядра. 

В ядерній фізиці для обчислення енергій застосовують атомну одини-

цю енергії (а. о. е.) - величину, яка відповідає енергії однієї атомної оди-
ниці маси: 

1а.о.е. = 1с

2

 • 1 а.о.м. = 9-10

16

  м

2

/ с

2

 -1,67

ЛОТ

21

 кг = 

= 1,5-10~

10

 Дж -931,1 МеВ. 

Як було вже показано, питома енергія зв'язку - це енергія, що припа-

дає на один нуклон: 

АЕ 

А Е п т

= — ^ . (25-6) 

А 

Питома енергія зв'язку дуже велика. Вона становить у середньому 

близько 8 МеВ на один нуклон. 

581 

На рис. 25.7 подано криву залеж-

ності питомої енергії зв'язку від ма-
сового числа А. З рисунка видно, що 
різні ядра мають різні значення АЕ

пит

. 

Найміцніше пов'язані нуклони в 

ядрах середньої частини періодич-
ної системи Менделєєва. У цих яд-
рах питома енергія зв'язку близька 
до 8,7 МеВ. Із зростанням кількості 

нуклонів у ядрі питома енергія зв'яз-
ку зменшується. Для ядер, розміще-

них у кінці періодичної системи (наприклад, для урану),

 АЕ

ПКТ

 приблизно 

становить 7,6 МеВ. 

Це свідчить про те, що 

для добування ядерної енергії принципово можливі два методи. 

Один ґрунтується на поділі важких ядер, другий - на синтезі легких. 

§ 247. Ядерні сили 

До складу ядра входять протони, які зазнають взаємного ну-

клонівського відштовхування, і нейтрони. Стійкість ядер, які не розліта-
ються під дією кулонівських сил відштовхування, свідчить про те, що в 
ядрах діють специфічні сили притягання, які називають

 ядерними силами. 

Ядерні сили не можуть бути звичайними силами кулонівської взаємодії. 

Кулонівська взаємодія між протоном і протоном зводиться до відштовху-
вання, а між нейтроном і протоном та нейтроном і нейтроном її немає. 
Електричні сили залежать від заряду і малі порівняно з ядерними. Граві-
таційні сили також не можуть удержувати частинки в ядрі, бо вони дуже 
малі. Наприклад, гравітаційна взаємодія двох протонів у 10

36

 разів менша 

від їх кулонівської взаємодії. Як ядерні сили не можуть бути і сили маг-
нітної взаємодії. Розрахунки показують, що енергія магнітної взаємодії, 
наприклад протона і нейтрона в ядрі атома дейтерію \ Н, становить близько 
0,1 МеВ, що значно менше від енергії зв'язку нуклонів у ядрі (2,2 МеВ). 

Усе це свідчить про те, що ядерні сили не можна звести ні до електрич-

них, ні до магнітних, ні до гравітаційних, вони є специфічним видом сил. 

Взаємодія між нуклонами в ядрі є прикладом сильних взаємодій -

взаємодій через ядерні сили. 

Ядерні сили мають ряд характерних властивостей: 

1) вони є силами притягання; 

З 

8 

7 

6 

5 

и 

з 

|

; 

См

 0 

§ 

і 

я 

„і 

ї 

20 40 60 80 100ВОН0160 180200220240 

Масове число А 

Рис. 25.7 

582 

2) це короткодійні сили, їх дія проявляється на відстані порядку 1(Г

15

 м. 

Відстань, на якій діють ядерні сили, називають

 радіусом дії ядерних сил\ 

3) ядерні сили мають

 властивість зарядової незалежності:

 ядерні сили, 

які діють між протоном і нейтроном, між двома протонами або між двома 
нейтронами, однакові; 

4) ядерні сили не є центральними, як, наприклад, сили гравітаційні і 

кулонівські; 

5) ядерні сили мають властивість насичення. 
Кожний нуклон взаємодіє не з усіма нуклонами ядра, а тільки з обме-

женою кількістю найближчих до нього нуклонів. Наслідком цієї власти-

вості є майже лінійна залежність енергії зв'язку в ядрі від масового числа 

А.

 Якби насичення не було, то кожний нуклон у ядрі взаємодіяв би з реш-

тою (^4-1) нуклонів і енергія зв'язку була б пропорційна кількості пар 

нуклонів у ядрі, тобто

 А

2

. Крім того, питома енергія зв'язку нуклонів у 

ядрі, якщо кількість нуклонів збільшується, приблизно стала (рис. 25.7). 

Прикладом повного насичення ядерних сил може бути ядро атома гелію, 

тобто а -частинка, яка є стійким утворенням з двох протонів і двох нейт-

ронів. 

Ядерні сили докладно ще не вивчено. Закінченої теорії ядерних сил 

немає, але припускають, що "чистих" протонів і нейтронів у ядрі немає, є 
ядерна речовина, яка може бути в двох станах - мати позитивний заряд 
або не мати заряду. За гіпотезою, яку висловив у 1935 р. японський фізик 
X. Юкава, в ядрах протони і нейтрони з величезною швидкістю ніби об-
мінюються частинками, що мають масу в 200-300 разів більшу, ніж елек-

трон. Пізніше ці частинки назвали я -мезонами. За сучасними уявлення-

ми, нуклон має таку будову: у центрі нуклона розміщене ядро-керн, радіус 
якого « 0,3 • 10~

15

 м. Керн оточений "хмарою", яка складається з мезонів. 

Носіями ядерних сил є я -мезони: позитивний я негативний я~ і нейт-

ральний я

0

. 

§ 248. Альфа-розпад. Правило зміщення 

Нуклони в атомних ядрах перебувають у стані руху і взаєм-

них перетворень, це впливає на розподіл енергії між частинками атом-
ного ядра в часі. Найстійкішими з усіх утворень всередині ядра є утво-
рення з двох протонів і двох нейтронів. ГІри ймовірнісному розподілі 

енергії між частинками ядра можливо, що саме це утворення матиме 
значну частину енергії ядра і за певних умов може покинути ядро у вигляді 

а -частинки. Перетворення атомних ядер, яке супроводиться випускан-

583 

ням а -частинок, називають а -розпадом. Якщо - материнське ядро, 
то при а -розпаді воно перетворюється за схемою 

ІХ + (25.7) 

де - символ дочірнього ядра;

 2

а - ядро атома гелію

 2

Не (а-час-

тинка); к\ - квант, що випускається ядром І~1

2

У, яке перебуває в збуд-

женому стані. 

Як видно з (25.7), 

а

 -розпад зменшує масове число ядра на 4, а заряд ядра - на 2 еле-

ментарні позитивні заряди, 

тобто хімічний елемент переміщується на дві клітинки вліво в пері-

одичній системі елементів Менделєєва. 

Це положення називають

 правилом зміщення.

 Воно випливає із

 закону 

збереження електричного заряду і масового числа: 

сума зарядів (а також масових чисел) продуктів розпаду дорівнює 

заряду (масовому числу) вихідного ядра. 

Проілюструємо цей закон на прикладі а -розпаду радію: 

2286

  К а ^

  2 2 2

Кп + 4Не. 

Швидкості, з якими ос -частинки вилітають з ядра, становлять приблиз-

но 10

7

 м/с, що відповідають енергії порядку кількох мегаелектрон-вольт. 

Рухаючись у речовині, а -частинки іонізують атоми або молекули речо-
вини, втрачаючи при цьому енергію і утворюючи на своєму шляху близь-
ко 10

5

 пар іонів. Витративши свою енергію на іонізацію, ос -частинка 

приєднує два електрони і стає нейтральним атомом гелію. Під

 пробігом 

ос

 -частинки

 розуміють ту відстань у речовині, на якій вона іонізує. Екс-

периментальні дані свідчать про те, що швидкості, а отже, й енергії а -час-
тинок, які виникають внаслідок ос -розпаду ядра, мають певні для даного 
ядра значення. 

§ 249. Бета-розпад. Нейтрино 

В ядрах здійснюється й інший вид перетворень, пов'язаний з 

перетворенням нуклонів. Як показали дослідження, радіоактивні ядра мо-
жуть викидати потік електронів. Цей вид розпаду назвали р -розпадом. Вив-
чення р -розпаду показало, що (3 -частинки (електрони), які вилітають з ядер 

584