86. АТОМНОЕ ЯДРО

Заряд ядра.

Точные измерения электрического заряда атомных ядер были выполнены в 1913 г. английским физиком Генри Мозли (1887—1916). Заряды ядер атомов различных химических элементов он определил по спектрам рентгеновского излучения, испускаемого атомами при облучении вещества потоком электронов высокой энергии. Мозли установил, что электрический заряд ядра атома равен произведению элементарного электрического заряда на порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева:

Таким образом, порядковый номер химического элёмента в таблице Менделеева определяется числом положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента или числом электронов в оболочке нейтрального атома.

Нейтрон.

Так как ядро атома химического элемента с порядковым номером в таблице Менделеева содержит элементарных положительных зарядов, то естественно было предположить, что ядро любого из атомов этого химического элемента составлено из одинаковых частиц, каждая из которых обладает элементарным положительным зарядом. Такой частицей мог быть протон — ядро самого легкого из атомов — атома водорода. Протон обладает положительным элементарным зарядом, масса протона равна 1,6726 -10-27 кг. Если бы атомные ядра состояли только из протонов, то ядро атома химического элемента с порядковым номером должно было обладать электрическим зарядом и массой Но в действительности масса, например, ядра атома кислорода не в 8 раз больше массы ядра атома водорода, а примерно в 16 раз.

Проблема состава атомного ядра была решена только после открытия английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891—1974) в 1932 г. частицы, не имеющей электрического заряда и обладающей массой, примерно равной массе протона. Эту частицу назвали нейтроном.

Состав атомных ядер.

После открытия нейтрона советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901 —1976) выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой гипотезе все ядра состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается знаком Число нейтронов в ядре обозначается знаком Общее число протонов и нейтронов в ядре обозначается знаком А и называется массовым числом.

Изотопы.

Ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами различных изотопов одного химического элемента. Из-за разного числа нейтронов ядра различных изотопов одного

химического элемента обладают разными массами и могут отличаться по физическим свойствам, например по способности к радиоактивному распаду. Из-за одинакового заряда ядра атомы разных изотопов одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами.

Обозначается изотоп символом химического элемента X с указанием слева вверху массового числа А и слева внизу числа протонов в атомном ядре:

Например, самый легкий изотоп водорода, ядром которого является один протон, обозначается символом Тяжелый изотоп водорода — дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон, обозначается символа»

Ядерные силы.

Так как размеры атомных ядер малы, силы кулоновского отталкивания между двумя половинами, например, атомного ядра свинца, содержащего 82 протона, достигают нескольких тысяч ньютонов. Но ядро свинца не разваливается на части под действием кулоновских сил отталкивания, поэтому следует сделать вывод о существовании сил притяжения между протонами и нейтронами, превосходящих силы кулоновского отталкивания между протонами.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре, назвали ядерными силами, Другое название этого взаимодействия — сильное взаимодействие.

Протон и нейтрон, по способности к сильному взаимодействию не отличаются друг от друга, поэтому в ядерной физике их часто рассматривают как одну частицу — нуклон — в двух различных состояниях. Нуклон в состоянии без электрического зарода называется нейтроном, нуклон в состоянии с электрическим зарядом называется протоном.

Основные свойства ядерных сил можно объяснить тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами, масса которых больше массы электрона примерно в 200 раз. Такие частицы были обнаружены экспериментально в 1947 г. Они получили название пи-мезонов.

Ядерные силы являются короткодействующими силами. На расстояниях не больших сильное взаимодействие нуклонов значительно превосходит электромагнитное и гравитационное, но с увеличением расстояния между нуклонами очень быстро убывает.

Масса атомного ядра.

Намерение масс атомов и атомных ядер производится с помощью масс-спектрографов. Схема устройства масс-спектрографа представлена на рисунке 300. Положительные иоиы исследуемого вещества

разгоняются электрическим полем. Специальное устройство пропускает на щель О только ионы с некоторой определенной, одинаковой для всех скоростью Через щель пучок ионов попадает в вакуумную камеру М. Камера М находится между полюсами магнита, вектор магнитной индукции перпендикулярен вектору скорости ионов.

Как известно, на электрический заряд, движущийся со скоростью в поперечном магнитном поле с индукцией В, действует сила Лоренца, направленная под прямым углом к векторам скорости заряда и индукции магнитного поля:

Под действием этой центростремительной силы ион движется по окружности, радиус которой определяется соотношением

Описав полуокружность, все ионы с одинаковой массой попадают в одно место фотографической пластинки. По известным значениям величин и радиуса окружности Л определяется масса иона:

С помощью масс-спектрографа можно не только измерять массы атомов отдельных изотопов, но и определять по плотности почернения линии масс-спектрографа содержание отдельных изотопов в данном элементе. Очевидно, что интенсивность линии изотопа на спектрограмме прямо пропорциональна содержанию его в элементе.

Установки, не отличающиеся по принципу действия от масс-спектрографов, могут быть использованы для промышленного разделения изотопов с целью получения значительных количеств одного изотопа.

Точные измерения масс атомных ядер с помощью масс-спектрографов показали, что масса любого ядра, содержащего протонов и нейтронов, меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов:

Энергия связи ядра.

Так как масса любого атомного ядра меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, то из закона взаимосвязи массы и энергии (82.4) следует, что полная энергия свободных протонов и нейтронов должна быть больше полной энергии составленного из них ядра. Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию равную разности между полной энергией свободных протонов и нейтронов и полной энергией ядра:

где

Минимальная энергия которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется

энергией связи ядра. Эта энергия расходуется на совершение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами.

При соединении протонов и нейтронов в атомное ядро происходит освобождение энергии; освобождаемая энергия равна энергии связи ядра . Эта энергия освобождается за счет работы сил ядерного притяжения между нуклонами.

Удельная энергия связи.

Отношение энергии связи ядра к числу нуклонов А в ядре называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.

Удельная энергия связи нуклонов в разных атомных ядрах неодинакова. Сначала с ростом массового числа А она увеличивается от ядра дейтерия до изотопа железа а далее с ростом массового числа постепенно убывает и снижается до изотопа урана Зависимость удельной энергии связи нуклона в ядре от массового числа А представлена графически на рисунке 310.

Удельная энергия связи нуклонов в атомных ядрах в сотни тысяч раз превосходит энергию связи электронов в атомах.