Почему ядро атома устойчиво? Что удерживает внутри него нейтроны, не имеющие заряда, и положительно заряженные протоны?

Это явление невозможно объяснить с точки зрения электромагнитного воздействия между заряженными частицами. Нейтроны не несут заряд, поэтому электромагнитные силы на них не действуют. Ну, а протоны, положительно заряженные частицы, должны были бы отталкиваться друг от друга. Но этого не происходит. Частицы не разлетаются, и ядро не распадается. Какие же силы заставляют нуклоны держаться вместе?

Ядерные силы

Силы, удерживающие внутри ядра протоны и нейтроны, называют ядерными силами . Очевидно, что они должны значительно превосходить электростатические силы отталкивания и силы гравитационного притяжения частиц. Ядерные силы - самые мощные из всех сил, существующих в природе. Опытным путём установлено, что по величине они в 100 раз превышают силы электростатического отталкивания. Но действуют они только на малом расстоянии, внутри ядра. И если это расстояние хоть на очень малую величину больше диаметра ядра, действие ядерных сил прекращается, и атом начинает распадаться под воздействием сил электростатического отталкивания. Поэтому эти силы короткодействующие .

Ядерные силы – это силы притяжения. Они не зависят от того, имеет частица заряд или нет, поскольку внутри ядра они удерживают и заряженные протоны, и не несущие заряд нейтроны. Величина этих сил одинакова для пары протонов, пары нейтронов или пары нейтрон-протон. Взаимодействие ядерных сил называют сильным взаимодействием .

Энергия связи ядра. Дефект масс

Благодаря ядерным силам, нуклоны в ядре связаны очень прочно. Для того, чтобы разорвать эту связь, нужно совершить работу, то есть, затратить определённую энергию. Минимальную энергию, необходимую для разделения ядра на отдельные частицы, называют энергией связи ядра атома . При соединении отдельных нуклонов в ядро атома выделяется энергия, по величине равная энергии связи. Эта энергия имеет огромную величину. К примеру, если сжечь 2 вагона каменного угля, то выделится энергия, которую можно получить при синтезе всего лишь 4 г химического элемента гелия.

Как определить величину энергии связи?

Для нас очевидно, что суммарная масса апельсина равна сумме масс всех его долек. Если каждая долька весит 15 г, а долек в апельсине 10, то вес апельсина 150 г. По аналогии казалось бы, масса ядра должна быть равна сумме масс нуклонов, из которых оно состоит. На самом же деле всё оказывается не так. Эксперименты показывают, что масса ядра меньше суммы масс частиц, в него входящих. Как такое возможно? Куда исчезает часть массы?

Вспомним закон эквивалентности массы и энергии, который называется также законом взаимосвязи массы и энергии и выражается формулой Эйнштейна:

E = mc 2 ;

где Е – энергия, m – масса, с – скорость света.

m = E/c 2 .

Согласно этому закону масса не исчезает, а превращается в энергию, выделяемую при соединении нуклонов в ядро.

Разность масс ядра и суммарной массы отдельных нуклонов, входящих в него, называют дефектом массы и обозначают Δ m .

Находящаяся в покое масса содержит огромный запас энергии. И при соединении нуклонов в ядро выделяется энергия ΔЕ = Δm · c 2 , а масса ядра уменьшается на величину Δ m . То есть, дефект масс – величина, эквивалентная энергии, которая выделяется при образовании ядра.

Δ m = ΔE/c 2 .

Дефект масс можно определить и по-другому:

Δ m = Z · m p + N · m n - M я

где Δ m – дефект масс,

M я – масса ядра,

m p – масса протона,

m n – масса нейтрона,

Z – число протонов в ядре,

N – число нейтронов в ядре.

M я < Z · m p + N · m n .

Оказывается, дефект масс имеют все химические элементы за исключением протия, атома водорода, в ядре которого всего один протон и ни одного нейтрона. И чем больше нуклонов в ядре элемента, тем больше дефект массы для него.

Зная массы частиц, которые взаимодействуют в ядерной реакции, а также частиц, которые образуются в результате, можно определить величину выделяемой и поглощаемой ядерной энергии.

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными . Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия - так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10 -12 -10 -13 см). На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре в отношении сильного взаимодействия ведут себя одинаково, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра .

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц - электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. - с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов :

Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.

В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра гелия например, энергия ионизации равна 13,6 эВ.

В таблицах принято указывать удельную энергию связи , т. е. энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи приблизительно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рис. 6.6.1 приведен график зависимости удельной энергии связи от массового числа A . Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у разных атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи сначала круто возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия до 7,1 МэВ/нуклон у гелия . Затем, претерпев ряд скачков, удельная энергия медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым числом A = 50-60, а потом сравнительно медленно снижается у тяжелых элементов. Например, у урана она составляет 7,6 МэВ/нуклон.

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.

В случае стабильных легких ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N оказываются одинаковыми (, , ). Под действием ядерных сил как бы образуются протон-нейтронные пары. Но у тяжелых ядер, содержащих большое число протонов, из-за возрастания энергии кулоновского отталкивания для обеспечения устойчивости требуются дополнительные нейтроны. На рис. 6.6.2 приведена диаграмма, показывающая число протонов и нейтронов в стабильных ядрах. У ядер, следующих за висмутом (Z > 83), из-за большого числа протонов полная стабильность оказывается вообще невозможной.

Из рис. 6.6.1 видно, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра элементов средней части системы Менделеева. Это означает, что существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях:

1. деление тяжелых ядер на более легкие;

2. слияние легких ядер в более тяжелые.

В обоих этих процессах выделяется огромное количество энергии. В настоящее время оба процесса осуществлены практически: реакции деления и термоядерные реакции.

Выполним некоторые оценки. Пусть, например, ядро урана делится на два одинаковых ядра с массовыми числами 119. У этих ядер, как видно из рис. 6.6.1, удельная энергия связи порядка 8,5 МэВ/нуклон. Удельная энергия связи ядра урана 7,6 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0,9 МэВ/нуклон или более 200МэВ на один атом урана.

Рассмотрим теперь другой процесс. Пусть при некоторых условиях два ядра дейтерия сливаются в одно ядро гелия . Удельная энергия связи ядер дейтерия равна 1,1 МэВ/нуклон, а удельная энергия связи ядра гелия равна 7,1 МэВ/нуклон. Следовательно, при синтезе одного ядра гелия из двух ядер дейтерия выделится энергия, равная 6 МэВ/нуклон или 24 МэВ на атом гелия.

Следует обратить внимание на то, что синтез легких ядер по сравнению с делением тяжелых сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон.

Энергия связи ядра
Binding energy

Энергия связи ядра – минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны). Ядро – система связанных нуклонов, состоящая из Z протонов (масса протона в свободном состоянии m p) и N нейтронов (масса нейтрона в свободном состоянии m n). Для того, чтобы разделить ядро на составные нуклоны, нужно затратить определенную минимальную энергию W, называемую энергией связи. При этом покоящееся ядро с массой М переходит в совокупность свободных покоящихся протонов и нейтронов с суммарной массой Zm p + Nm n . Энергия покоящегося ядра Мс 2 . Энергия освобождённых покоящихся нуклонов (Zm p + Nm n)с 2 . В соответствии с законом сохранения энергии Мс 2 + W = (Zm p + Nm n)с 2 . Или W = (Zm p + Nm n)с 2 - Мс 2 . Поскольку W > 0, то М < (Zm p + Nm n), т.е. масса, начального ядра, в котором нуклоны связаны, меньше суммы масс свободных нуклонов, входящих в его состав.
W растёт с увеличением числа А нуклонов в ядре (А = Z + N). Удобно иметь дело с удельной энергией связи ε = W/A, т.е. средней энергией связи, приходящейся на один нуклон. Для большинства ядер ε ≈ 8 МэВ (1 МэВ = 1.6·10 -13 Дж). Для разрыва химической связи нужна энергия в 10 6 раз меньше.

Энергия связи

Энергия связи служит мерой прочности любой химической связи. На разрыв химической связи необходимо затратить энергию, равную по величине той энергии, которая выделилась при образовании химической связи.

Количество энергии, выделяющейся при образовании молекулы из атомов , называют энергией образования связи илипросто энергией связи.

Энергию связи выражают в кДж/моль, например:

Н + Н ® Н 2 + 435 кДж.

Естественно, столько же энергии необходимо затратить и для разрыва химических связей в 1 моль водорода. Следовательно, чем больше энергия связи, тем связь прочнее. Например, Е­ СВ (Н 2) = 435 кДж/моль, а Е СВ (N 2) = 942 кДж/моль. И, действительно, связь в молекуле азота (как показано ранее, тройная) значительно прочнее связи в молекуле водорода.

Разрыв связи может быть осуществлен гомолитически (с образованием нейтральных атомов) и гетеролитически (с образованием ионов), причем энергия разрыва может различаться.

NaCl (г) = Na (г) + Cl г – 414 кДж

Для однотипных молекул длина химической связи также может служить характеристикой прочности связи: ведь чем меньше длина связи, тем больше степень перекрывания электронных облаков.

Так, длина связей ℓ (HF) = 0,092 нм и ℓ (HJ) = 0,162 нм свидетельствуют о большей прочности связи в молекуле фтороводорода, что подтверждается на практике.

Следует отметить, что экспериментально определяемые длины связей характеризуют лишь среднее расстояние между атомами, поскольку атомы в молекулах и кристаллах совершают колебания около положения равновесия.

Перекрывание электронных облаков, приводящее к образованию химической связи, возможно лишь при их определенной взаимной ориентации. Область перекрывания также расположена в определенном направлении к взаимодействующим атомам. Поэтому говорят, что ковалентная химическаясвязь обладает направленностью. При этом могут возникать связи 3 видов, которые называют s- (сигма), p- (пи) и d- (дельта) связями.

В рассмотренных выше случаях образования молекул Н 2 и Cl 2 перекрывание электронных облаков происходит вдоль прямой, соединяющей центры атомов. Ковалентная связь, образующаяся в результате перекрывания электронных облаков вдоль линии, соединяющей центры атомов, называется s-связью. s-связь образуется (рис. 3) при перекрывании s – s – облаков (например, Н 2), р х – р х – облаков (Cl 2), s – p x (HF).

Рис. 3. s-связи в молекулах Н 2 (а), Cl 2 (б), HF (в)

При взаимодействии р-электронных облаков, ориентированных перпендикулярно оси, соединяющей центры атомов (р у – и р z – облака) образуются две области перекрывания, расположенные по обе стороны от оси. Такое положение отвечает образованию p- связи.

p-связь – это связь, для которой связывающее электронное облако имеет плоскость симметрии, проходящую через атомные ядра.

p-связь не существуют сами по себе: они образуются в молекулах, уже имеющих s-связи, и приводит к появлению двойных и тройных связей.

Так, в молекуле N 2 каждый атом азота обладает тремя неспаренными

2р – электронами. По одному облаку от каждого атома азота участвует в образовании s-связи (р х – р х - перекрывание).

Облака же р у – и р z – направленные перпендикулярно линии s-связи, могут перекрываться между собой лишь боковыми сторонами “гантелей“. Такое перекрывание приводит к образованию двух p-связей, т.е. связь в молекуле N 2 является тройной. Однако эти связи энергетически неравноценны: степень перекрывания р х – р х – облаков много выше, чем р у – р у и р z – р z . И, действительно, энергия тройной связи ниже, чем утроенная энергия одной s - связи, а при химических реакциях в первую очередь происходит разрыв p - связей.

Рис. 4. Различные случаи образования p-связей

Абсолютно любого химического вещества состоит из определенного набора протонов и нейтронов. Они удерживаются вместе благодаря тому, что внутри частицы присутствует энергия связи атомного ядра.

Характерной особенностью ядерных сил притяжения является их очень большая мощность на сравнительно маленьких расстояниях (примерно от 10 -13 см). С ростом расстояния между частицами ослабевают и силы притяжения внутри атома.

Рассуждение об энергии связи внутри ядра

Если представить, что имеется способ отделять по очереди от ядра атома протоны и нейтроны и располагать их на таком расстоянии, чтобы энергия связи атомного ядра переставала действовать, то это должно быть очень тяжелой работой. Для того чтобы извлечь из ядра атома его составляющие, нужно постараться преодолеть внутриатомные силы. Эти усилия пойдут на то, чтобы разделить атом на содержащиеся в нем нуклоны. Поэтому можно судить, что энергия атомного ядра меньше чем энергия тех частиц, из которых оно состоит.

Равна ли масса внутриатомных частиц массе атома?

Уже в 1919 году исследователи научились измерять массу атомного ядра. Чаще всего его «взвешивают» при помощи особых технических приборов, которые получили название масс-спектрометров. Принцип работы таких приборов состоит в том, что сравниваются характеристики движения частиц с различными массами. При этом такие частицы имеют одинаковые электрические заряды. Подсчеты показывают, что те частицы, которые обладают разными показателями массы, двигаются по различным траекториям.

Современные ученые выяснили с большой точностью массы всех ядер, а также входящих в их состав протонов и нейтронов. Если же сравнить массу определенного ядра с суммой масс содержащихся в нем частиц, то окажется, что в каждом случае масса ядра будет больше, чем масса отдельно взятых протонов и нейтронов. Эта разница составит приблизительно 1% для любого химического вещества. Поэтому можно сделать вывод, что энергия связи атомного ядра - это 1% энергии его покоя.

Свойства внутриядерных сил

Нейтроны, которые находятся внутри ядра, отталкиваются друг от друга кулоновскими силами. Но при этом атом не распадается на части. Этому способствует присутствие силы притяжения между частицами в атоме. Такие силы, которые имеют природу, отличную от электрической, называются ядерными. А взаимодействие нейтронов и протонов называется сильным взаимодействием.

Вкратце свойства ядерных сил сводятся к следующим:

• это зарядовая независимость;
• действие лишь на коротких расстояниях;
• а также насыщаемость, под которой понимается удерживание друг около друга лишь определенного количества нуклонов.

По закону сохранения энергии, в тот момент, когда ядерные частицы соединяются, происходит выброс энергии в виде излучения.

Энергия связи атомных ядер: формула

Для упомянутых вычислений используется общепринятая формула:

Е св =(Z·m p +(A-Z)·m n -M я )·c²

Здесь под Е св понимается энергия связи ядра; с - скорость света; Z -количество протонов; (A-Z ) - число нейтронов; m p обозначает массу протона; а m n - массу нейтрона. M я обозначает массу ядра атома.

Внутренняя энергия ядер различных веществ

Чтобы определить энергию связи ядра, используется одна и та же формула. Вычисляемая по формуле энергия связи, как ранее уже было указано, составляет не более 1% от общей энергии атома или энергии покоя. Однако при детальном рассмотрении оказывается, что это число довольно сильно колеблется при переходе от вещества к веществу. Если попробовать определить его точные значения, то они будут особенно различаться у так называемых легких ядер.

Например, энергия связи внутри водородного атома составляет ноль, потому что в нем находится лишь один протон.Энергия связи ядра гелия будет равна 0,74%. У ядер вещества под названием тритий это число будет равно 0,27%. У кислорода - 0,85%. В ядрах, где находится порядка шестидесяти нуклонов, энергия внутриатомной связи будет составлять около 0,92%. Для атомных ядер, обладающих большей массой, это число будет постепенно уменьшаться до 0,78%.

Чтобы определить энергию связи ядра гелия, трития, кислорода, или же любого другого вещества, используется та же формула.

Типы протонов и нейтронов

Основные причины подобных различий могут быть объяснены. Ученые выяснили, что все нуклоны, которые содержатся внутри ядра, делятся на две категории: поверхностные и внутренние. Внутренние нуклоны - это те, что оказываются окружены другими протонами и нейтронами со всех сторон. Поверхностные же окружены ими лишь изнутри.

Энергия связи атомного ядра - это сила, которая выражена больше у внутренних нуклонов. Нечто подобное, кстати, происходит и при поверхностном натяжении различных жидкостей.

Сколько нуклонов помещается в ядре

Выяснено, что количество внутренних нуклонов особенно мало у так называемых легких ядер. А у тех, что относятся к категории самых легких, практически все нуклоны расцениваются как поверхностные. Считается, что энергия связи атомного ядра - это величина, которая должна расти с количеством протонов и нейтронов. Но даже такой рост не может продолжаться до бесконечности. При определенном количестве нуклонов - а это от 50 до 60 - приходит в действие другая сила - их электрическое отталкивание. Оно происходит даже независимо от наличия энергии связи внутри ядра.

Энергия связи атомного ядра в различных веществах используется учеными для того, чтобы высвободить ядерную энергию.

Многих ученых всегда интересовал вопрос: откуда возникает энергия, когда более легкие ядра сливаются в тяжелые? На самом деле, данная ситуация аналогична атомному делению. В процессе слияния легких ядер, точно так же, как это происходит при расщеплении тяжелых, всегда образуются ядра более прочного типа. Чтобы «достать» из легких ядер все находящиеся в них нуклоны, требуется затратить меньше количество энергии, нежели то, что выделяется при их объединении. Обратное утверждение также является верным. На самом деле энергия синтеза, которая приходится на определенную единицу массы, может быть и больше удельной энергии деления.

Ученые, исследовавшие процессы деления ядра

Процесс был открыт учеными Ганом и Штрасманом в 1938 году. В стенах Берлинского химического университета исследователи открыли, что в процессе бомбардировки урана другими нейтронами, он превращается в более легкие элементы, стоящие в середине таблицы Менделеева.

Немалый вклад в развитие этой области знания внесла и Лиза Мейтнер, которой Ган в свое время предложил изучать радиоактивность вместе. Ган разрешил Мейтнер работать лишь на том условии, что она будет проводить свои исследования в подвале и никогда не станет подниматься на верхние этажи, что было фактом дискриминации. Однако это не помешало достичь ей значительных успехов в исследованиях атомного ядра.