Физика (стр. 42 )

 

Рис. 5.1.2

С ростом удельная энергия связи постепенно уменьшается. Для самого тяжелого природного элемента – урана – она составляет . Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает энергетически возможными два процесса: 1) деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер и 2) слияние (синтез) легких ядер в одно ядро. Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Так, например, деление одного ядра с массовым числом (удельная энергия связи ) на два ядра с массовыми числами (удельная энергия связи ) привело бы к высвобождению энергии . Слияние двух ядер тяжелого водорода в ядро гелия привело бы к выделению энергии ~. Для сравнения: при соединении одного атома углерода с двумя атомами кислорода (сгорание угля до ) выделяется энергия ~.

Пример 2. Найти энергию связи ядра изотопа лития .

Решение. Энергия связи ядра равна

Здесь все массы следует выразить в атомных единицах массы. Из таблиц (см. приложение 1) находим: масса атома изотопа водорода равна ; зарядовое число ядра этого изотопа ; масса нейтрона ; масса ядра изотопа лития ; для этого изотопа и . Подставляя эти данные в выражение для энергии связи, получаем: .

5.1.3. Ядерные силы

Нуклоны в ядре связаны между собой особыми силами взаимного притяжения, которые называются ядерными силами. Основные свойства этих сил:

1) ядерные силы характеризуются зарядовой независимостью, т. е. действуют между элементарными частицами независимо от их заряда; отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

2) ядерные силы – сильнодействующие; они на несколько порядков больше любых других сил, известных в природе;

3) ядерные силы действуют только на очень малых расстояниях ; при увеличении расстояния между частицами ядерные силы быстро убывают (~10-7);

4) ядерные силы обладают свойством насыщения. Это означает, что каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Это свойство вытекает из того факта, что энергия связи, приходящаяся на один нуклон, изменяется слабо с увеличением массового числа больше ~.

Ядерные силы не зависят от общего числа нуклонов в ядре, в то время как силы отталкивания пропорциональны числу нуклонов. Поэтому наиболее прочны и устойчивы ядра легких атомов, так как малы их силы отталкивания. Ядра тяжелых (с высоким атомным номером) элементов менее прочны. Ядра атомов последнего ряда периодической системы неустойчивы и самораспадаются, т. е. являются радиоактивными.

По современным представлениям, ядерное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. Для пояснения этого можно провести аналогию с электромагнитным взаимодействием.

Электромагнитное поле, через которое осуществляется взаимодействие между заряженными частицами, по представлениям квантовой электродинамики, есть совокупность квантов энергии – фотонов. Электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами заключается в обмене фотонами. Каждая заряженная частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею фотона, испущенного первой частицей. Но это не реальные фотоны, а виртуальные.

Аналогично этому, по квантовым представлениям, происходит и ядерное взаимодействие между нуклонами.

5.1.4. Модели ядра

Сложный характер ядерных сил не предоставляет возможности разработать единую последовательную теорию атомного ядра. Поэтому на данной стадии приходится рассматривать приближенные ядерные модели, в которых ядро заменяется некоторой модельной системой, удовлетворительно описывающей только некоторые определенные свойства ядра и допускающей более или менее простую математическую трактовку.

Среди большого числа моделей, предложенных для описания тех или иных свойств ядра, чаще других используются две: капельная и оболочечная.

Согласно капельной модели, нуклоны в ядре взаимодействуют подобно молекулам в капле жидкости, причем на поверхностно расположенные нуклоны действуют силы, аналогичные силам поверхностного натяжения жидкости. Это придает ядру необходимую прочность. Силы, действующие между молекулами в капле жидкости и между нуклонами в ядре, являются короткодействующими, и им свойственно насыщение. Сходство ядра с каплей жидкости усиливается тем, что для обеих систем характерна постоянная плотность вещества. И, наконец, объем капли, так же как и объем ядра, пропорционален числу частиц.

Существенное отличие ядра от капли в капельной модели заключается в том, что она трактует ядро как каплю заряженной несжимаемой жидкости, подчиняющуюся законам квантовой механики. Капельная модель хорошо объясняет механизм ядерных реакций и особенно реакции деления ядра. Она позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре. Однако капельная модель не может объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.

Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по определенным энергетическим уровням (оболочкам) и связывает устойчивость ядра с заполнением этих уровней. Согласно этой модели, ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы (магические ядра). Оболочечная модель хорошо применима для описания легких и средних ядер.

По мере накопления экспериментальных данных появлялись новые факты, не укладывающиеся в рамки рассмотренных моделей ядра. Это послужило основой для разработки новых моделей: обобщенной модели ядра, оптической модели ядра и др.

5.1.5. Изотопы

Существуют атомы, ядра которых имеют одинаковый атомный номер, но различаются по массовому числу, т. е. эти ядра содержат одинаковое число протонов, но несколько отличное между собой число нейтронов. Элементы, имеющие подобные ядра, называются изотопами. Строение электронных оболочек у изотопов одинаково, поэтому они имеют тождественные химические свойства. Основные физические свойства изотопов также сходны между собой. Однако по ряду физических свойств, особенно связанных с массой ядра, они различаются, что и позволяет осуществить их разделение.

В свободном виде или в составе химических соединений изотопы одного и того же элемента всегда встречаются в смеси строго определенного состава. Это закон постоянства изотопного состава.

Для примера можно назвать устойчивые изотопы некоторых элементов. Водород имеет три изотопа: легкий водород – протий H, тяжелый водород – дейтерий D, сверхтяжелый водород – тритий Т. Соотношение этих изотопов в природном газе таково: Дейтерий, соединяясь с кислородом, образует тяжелую воду (D2O), которая отличается от обычной воды некоторыми физическими свойствами: – жизненные процессы, происходящие в тяжелой воде, замедляются. Гелий имеет два изотопа: Второй изотоп в природном газе содержится в количестве 10–5%. Литий имеет два изотопа: Содержание в природном элементе 7.3 % и 92.7 % соответственно. Кислород имеет три изотопа:

Вообще изотопы открыты для подавляющего большинства элементов, причем среди них есть как устойчивые, так и радиоактивные.

5.1.6. Радиоактивность

Радиоактивностью называется свойство ядер некоторых элементов спонтанно, т. е. без каких-либо внешних воздействий, распадаться с образованием ядер новых элементов и испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.