Між складовими ядро нуклонами діють особливі, специфічні для ядра сили, які значно перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами. Вони називаються ядерними силами. Ядерні належать до класу про сильних взаємодій. Основні властивості ядерних сил:
1. отрута. сили є силами тяжіння;
2. отрута. сили є короткодіючими;
3. отрута. силам властива зарядова незалежність: ядерні сили, які діють між двома протонами, чи протоном і нейтроном, однакові за величиною, тобто. ядерні сили мають не ел. природу;
4. отрута. силам властиво насичення, тобто. кожен нуклон у ядрі взаємодіє лише з обмеженою кількістю найближчих до нього нуклонів;
5. отрута. сили залежить від взаємної орієнтації спинів взаємодіючих нуклонів;
6. отрута. сили є центральними.
Моделі ядра.
1.Крапельна модель ядра є першою моделлю. Вона заснована на аналогії між поведінкою нуклонів у ядрі та поведінкою молекул у краплі рідини. Так, в обох випадках сили, що діють між складовими частинками – молекулами в рідині та нуклонами в ядрі, є короткодіючими та їм властиво насичення. Для краплі рідини за даних зовнішніх умов характерна стала щільність її речовини. Ядра ж характеризуються практично постійною питомою енергією зв'язку та постійною щільністю, незалежно від кількості нуклонів у ядрі. Обсяг краплі та обсяг ядра пропорційні числу частинок. Істотна відмінність ядра від краплі рідини в цій моделі закл. у цьому, що вона трактує ядро як краплю ел. Зарядженої стисливої рідини, що підпорядковується законам квантової механіки. Крапельна модель ядра пояснила механізм ядерних реакцій поділу ядер, але не змогла пояснити підвищену стійкість ядер, що містять магічні числа протонів і нейтронів.
2.Оболонкова модель ядра передбачає розподіл нуклонів в ядрі за дискретними ен. рівням, що заповнюються за принципом Паулі, і пов'язує стійкість ядер із заповненням цих рівнів. Вважається, що ядра з повністю заповненими оболонками є найстійкішими. Оболонкова модель ядра дозволила пояснити спини та магнітні моменти ядер, різну стійкість атомних ядер, а також для опису легких та середніх ядер, а також для ядер, які знаходяться в основному стані. У міру подальшого накопичення експериментальних даних про властивості атомних ядер з'являлися нові факти, що не вкладаються в рамки описаних моделей. Так виникли узагальнена модель ядра, оптична модель ядра тощо.
Ядерні реакції.
Ядерними реакціями називають перетворення атомних ядер, викликані взаємодією їх один з одним або з елементарними частинками.
Як правило, в ядерних реакціях беруть участь два ядра та дві частинки. Одна пара ядро-частка є вихідною, інша пара – кінцевою.
Заряд ядра
Ядро будь-якого атома заряджено позитивно. Носієм позитивного заряду є протон. Оскільки заряд протона чисельно дорівнює заряду електрона $e$, можна записати що заряд ядра дорівнює $+Ze$ ($Z$ -- ціле число, що свідчить про порядковий номер хімічного елемента в періодичної системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва). Число $Z$ також визначає кількість протонів в ядрі та кількість електронів в атомі. Тому його називають атомним номером ядра. Електричний заряд є однією з основних характеристик атомного ядра, від якого залежить оптичні, хімічні та інші властивості атомів.
Маса ядра
Іншою важливою характеристикою ядра є маса. Масу атомів і ядер прийнято виражати атомних одиницях маси (а.е.м.). за атомну одиницю маси прийнято вважати $1/12$ маси нукліду вуглецю $^(12)_6C$:
де $ N_A = 6,022 \ cdot 10 ^ (23) \ моль ^-1 $ - число Авогадро.
Відповідно до співвідношення Ейнштейна $E=mc^2$, масу атомів також виражають у одиницях енергії. Оскільки:
- маса протона $ m_p = 1.00728 а.е.м. = 938,28 МеВ $,
- маса нейтрона $ m_n = 1.00866 а.е.м. = 939,57 МеВ $,
- маса електрона $ m_e = 5,49 \ cdot 10 ^ (-4) \ а.е.м. = 0,511 \ МеВ $,
Як видно, маса електрона зневажливо мала в порівнянні з масою ядра, то маса ядра майже збігається з масою атома.
Маса відрізняється від цілих чисел. Маса ядра, виражена а.е.м. і округлена до цілого числа називається масовим числом, що позначається буквою $A$ і визначає кількість нуклонів в ядрі. Число нейтронів у ядрі дорівнює $ N = A-Z $.
Для позначення ядер застосовується символ $^A_ZX$, де $X$ має на увазі хімічний символ даного елемента. Атомні ядра з однаковою кількістю протонів, але різними масовими числами називають ізотопами. У деяких елементах кількість стабільних і нестабільних ізотопів досягає десятків, наприклад, уран має $14$ ізотопів: від $^(227)_(92)U\ $до $^(240)_(92)U$.
Більшість хімічних елементів існуючих у природі, є сумішшю декількох ізотопів. Саме наявність ізотопів пояснює той факт, що деякі природні елементи мають масу, яка відрізняється від цілих чисел. Наприклад, природний хлор складається з $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ і $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, яке атомна маса дорівнює $35,5$ а.е .м. у більшості атомів, крім водню, ізотопи мають майже однакові фізичні та хімічні властивості. Але за своїми виключно ядерними властивостями ізотопи суттєво різняться. Одні з них можуть бути стабільними, інші – радіоактивними.
Ядра з однаковими масовими числами, але різними значеннями $Z$ називають ізобарами, наприклад $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Ядра з однаковою кількістю нейтронів називають ізотонами. Серед легких ядер зустрічаються звані «дзеркальні» пари ядер. Це такі пари ядер, у яких числа $Z$ і $A-Z$ змінюються місцями. Прикладами таких ядер можуть бути $^(13)_6C$ і $^(13_7)N$ або $^3_1H$ і $^3_2He$.
Розмір атомного ядра
Вважаючи атомне ядро приблизно сферичним, можна запровадити поняття його радіуса $R$. Зазначимо, що у деяких ядрах є невелике відхилення від симетрії у розподілі електричного заряду. Крім того, атомні ядра не статичні, а динамічні системи, і поняття радіуса ядра не можна представляти як радіус кулі. З цієї причини за розміри ядра необхідно брати ту область, в якій проявляються ядерні сили.
При створенні кількісної теорії розсіювання $ alpha $ - частинок Еге. Резерфорд виходив з припущень, що атомне ядро і $ alpha $ - частка взаємодіють за законом Кулона, тобто. що електричне поле навколо ядра має сферичну симетрію. Розсіювання $\alpha $ -- частки відбувається у повній відповідності до формули Резерфорда:
Це має місце для $ \ alpha $ -- частинок енергія яких $ E $ досить мала. При цьому частка не здатна подолати кулоновський потенційний бар'єр і згодом не досягає сфери дії ядерних сил. Зі збільшенням енергії частки до деякого граничного значення $E_(гр)$ $\alpha $ - частка досягає цього кордону. Тога в розсіюванні $ \ alpha $ - Часток спостерігається відхилення від формули Резерфорда. Зі співвідношення
Досліди показують, що радіус $R$ ядра залежить від кількості нуклонів, що входять до складу ядра. Ця залежність може виражатися емпіричною формулою:
де $ R_0 $ - постійна, $ A $ - масове число.
Розміри ядер визначають експериментально розсіювання протонів, швидких нейтронів або електронів високих енергій. Існує низка інших непрямих методів визначення розмірів ядер. Вони обгрунтовані на зв'язку час життя $ alfa $ - радіоактивних ядер з енергією випущених ними $ alpha $ - частинок; на оптичних властивостях, так званих, мезоатомів, у яких один із електронів тимчасово захоплений мюоном; порівняно енергії зв'язку пари дзеркальних атомів. Ці методи підтверджують емпіричну залежність $R=R_0A^(1/3)$, а також за допомогою цих вимірювань встановлено значення постійної $R_0=\left(1,2-1,5right)cdot 10^(-15) \ м $.
Зазначимо також, що за одиницю відстаней в атомній фізиці та фізиці елементарних частинок беруть одиницю виміру «фермі», який дорівнює $(10)^(-15)\ м$ (1 ф=$(10)^(-15)\ м ) $.
Радіуси атомних ядер залежать від їх масового числа і знаходяться в проміжку від $2\dot 10^(-15)\ м\ до\ 10^(-14)\м$. якщо з формули $R=R_0A^(1/3)$ виразити $R_0$ і записати його у вигляді $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, то можна побачити що кожен нуклон припадає приблизно однаковий обсяг. Це означає, що щільність ядерної речовини для всіх ядер так само приблизно однакова. Виходячи з існуючих відомостей про розміри атомних ядер, знайдемо середнє значення густини речовини ядра:
Як бачимо, густина ядерної речовини дуже велика. Це зумовлено дією ядерних сил.
Енергія зв'язку. Дефект мас ядер
При порівнянні суми мас спокою нуклонів, які утворюють ядро з масою ядра, було помічено, що для всіх хімічних елементів справедлива нерівність:
де $m_p$ - маса протона, $m_n$ - маса нейтрона, $m_я$ - маса ядра. Величину $\triangle m$, що виражає різницю мас між масою нуклонів, що утворюють ядро, та масою ядра, називають дефектом маси ядра
Важливі відомості про властивості ядра можна отримати, не вникаючи в подробиці взаємодії між нуклонами ядра, на підставі закону збереження енергії та закону пропорційності маси та енергії. Оскільки в результаті будь-якої зміни маси $ triangle m $ відбувається відповідна зміна енергії $ triangle E $ ($ triangle E = triangle mc ^ 2 $), то при утворенні ядра виділяється певну кількість енергії. За законом збереження енергії таку кількість енергії потрібно, щоб розділити ядро на складові частки, тобто. віддалити нуклони один від одного на такі самі відстані, при яких відсутня взаємодія між ними. Цю енергію називають енергією зв'язку ядра.
Якщо ядро має $Z$ протонів і масове число $A$, то енергія зв'язку дорівнює:
Зауваження 1
Зазначимо, що цією формулою не дуже зручно скористатися, т.к. у таблицях наводиться не маси ядер, а маси, що визначають маси нейтральних атомів. Тому для зручності обчислень формулу перетворять таким чином, щоб до неї входили маси атомів, а не ядер. З цією метою у правій частині формули додамо і заберемо масу $Z$ електронів $(m_e)$. Тоді
\c^2==\leftc^2.\]
$m_(()^1_1H)$ - маса атома водню, $m_a$ - маса атома.
У ядерній фізиці енергію часто виражають у мегаелектрон-вольтах (МеВ). Якщо йдеться про практичне застосування ядерної енергії, то її вимірюють у джоулях. У разі порівняння енергії двох ядер використовують масову одиницю енергії - співвідношення між масою та енергією ($E=mc^2$). Масова одиниця енергії ($le$) дорівнює енергії, що відповідає масі одну а.е.м. Вона дорівнює $931,502$ МеВ.
Малюнок 1.
Окрім енергії, важливе значення має питома енергія зв'язку - енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон: $ w = E_ (св) / A $. Ця величина змінюється порівняно повільно проти зміною масового числа $A$, маючи майже постійну величину $8.6$ МеВ в середній частині періодичної системи і зменшується до її країв.
Наприклад розрахуємо дефект маси, енергію зв'язку та питому енергію зв'язку ядра атома гелію.
Дефект маси
Енергія зв'язку в МеВ: $ E_ (св) = triangle m cdot 931,502 = 0,030359 cdot 931,502 = 28,3 МеВ $;
Питома енергія зв'язку: $w=\frac(E_(св))(A)=\frac(28,3\ МеВ)(4\approx 7.1\ МеВ).
Спроби отримати уявлення про точні розміри ядра наштовхуються на значні труднощі. Справа в тому, що частинки, з яких складається ядро, рухаються за законами квантової механіки, в основі якої лежить принцип невизначеності Гейзенберга. Внаслідок цього поверхня ядра «розмита» та уявлення про його розміри стає невизначеним.
Існує кілька способів, що дозволяють провести оцінку розмірів ядра. Різні методи призводять до різних результатів, проте порядок величини завжди залишається однаковим.
Перші уявлення про розміри атомного ядра були отримані Резерфордом в результаті дослідів з розсіювання частинок, які були описані в попередньому параграфі. Грубо можна оцінити розміри ядра, що відштовхує, як найменшу відстань, на яку -частка наближається до атомного ядра при лобовому ударі.
Сила відштовхування між ядром і -частинкою на відстані згідно із законом Кулона дорівнює де заряд -частки, заряд ядра. Потенційна енергія на відстані між частинками дорівнює
Кінетична енергія -частки на великій відстані від ядра дорівнює При прямому попаданні на центр, що розсіює -частка може підійти до ядра на відстань, що визначається рівністю Звідки
(У формулі Резерфорда (11) цей член стоїть у дужках). Визначаючи при відомих і 0, можна на підставі і (12) обчислити Досвід показав, що величина ядер важких елементів має порядок див.
Площі геометричних перерізів ядер, рівні більшості ядер близькі до величини Тому у ядерної фізики для вимірювання площ приймається одиниця - барн.
Надалі розміри атомних ядер визначалися за енергією -частинок, що випускаються радіоактивними ядрами (див. гл. 3), по розсіянню нейтронів і електронів на ядрах, за величиною енергії зв'язку ядра та іншими методами.
Найбільш надійними можуть вважатися результати, отримані щодо розсіювання ядрами нейтронів і електронів. Коротко ідея методу полягає в наступному: якщо довжина хвилі де Бройля для електронів можна порівняти з розмірами ядер, то при пружному розсіюванні електронів на ядрах виникатиме дифракція. Картину цієї дифракції можна розрахувати, вважаючи, що розсіювання електронів відбувається на зарядженій кулі радіусу припущення про рівномірне розподіл заряду в ядрі. Значення при якому теорія та експеримент найбільш узгоджуються один з одним, приймається за радіус ядра, хоча суворо слід говорити про радіус розподілу електричного заряду в ядрі.
Яку енергію повинні мати електрони у такому експерименті? Очевидно необхідно, щоб див.
При релятивістських швидкостях кінетична енергія електрона приблизно дорівнює отже, якщо змінювати
Перекладний множник для переходу від ергів до
Звідси випливає, що необхідна енергія має бути порядку
Цим методом було визначено радіуси багатьох ядер у тому числі радіус протона. У припущенні про сферичну форму ядер було знайдено залежність між радіусом ядра та числом нуклонів у ядрі А
Така сама залежність між була отримана при використанні інших методів. Значення постійного множника у своїй виходило дещо різним. Наприклад, щодо розсіювання на ядрах не електронів, а нейтронів було отримано значення для
Відмінність у значенні одержаного різними методами, очевидно, можна пояснити тим, що розсіювання електронів визначається областю зосередження зарядів ядра, а розсіювання нейтронів визначається величиною радіусу області ядерної взаємодії. Іноді говорять у зв'язку з цим про «електричний» і «ядерний» радіус атомного ядра.
Зі співвідношення
видно, що маса ядра (яка визначається величиною А) пропорційна його обсягу V:
до, отже, у всіх ядрах число нуклонів в одиниці об'єму однаково
Одноманітною також має бути і щільність усіх ядер
що має порядок 100 млн При такій щільності куля радіусом мала б вагою земної кулі.
Величина радіусів ядер свідчить, що ядро складається з протонів і нейтронів, а електронів у складі немає.
Це видно з порівняння розмірів ядер та довжини хвиль де Бройля для електронів. Для того, щоб електрон мав дебройлівську довжину хвилі порядку розміру ядра, його енергія повинна вимірюватися сотнями. Електрони такої енергії не можуть бути утримані ядром.
Справді, енергію Екул кулонівського тяжіння електрона до ядра можна грубо оцінити так. Нехай ядра дорівнює 60 (середньоважкі ядра), тоді
Як буде показано нижче, середня енергія зв'язку, що припадає на один нуклон в ядрі, дорівнює приблизно електрону з енергією, меншою або рівною енергії кулонівського тяжіння, має дебройлівську довжину хвилі принаймні на порядок більше радіусу ядра і не може знаходитися в ньому.
Питання «З чого складається матерія?», «Яка природа матерії?» завжди займали людство. Ще з найдавніших часів філософи та вчені шукали відповіді на ці питання, створюючи як реалістичні, так і зовсім дивовижні та фантастичні теорії та гіпотези. Проте буквально сторіччя тому людство підійшло до розгадки цієї таємниці максимально близько, відкривши атомарну структуру матерії. Але яким є склад ядра атома? Із чого все складається?
Від теорії до реальності
На початку ХХ століття атомарна структура перестала бути лише гіпотезою, а стала абсолютним фактом. Виявилося, що склад ядра атома – поняття дуже складне. Але виникло питання: склад атома і включають різну кількість цих зарядів чи ні?
Планетарна модель
Спочатку уявляли, що атом побудований дуже схоже на нашу Сонячну систему. Однак досить швидко виявилося, що подібна вистава не зовсім вірна. Проблематика суто механічного перенесення астрономічного масштабу картини в область, що займає мільйонні частки міліметра, спричинила істотну і різку зміну властивостей і якостей явищ. Головна відмінність полягала в набагато жорсткіших законах і правилах, за якими побудований атом.
Недоліки планетарної моделі
По-перше, так як атоми одного роду та елемента за параметрами та властивостями повинні бути абсолютно однакові, то й орбіти у електронів цих атомів теж мають бути однакові. Проте закони руху астрономічних тіл не змогли відповісти на ці питання. Друге протиріччя у тому, що рух електрона орбітою, якщо застосувати щодо нього добре вивчені фізичні закони, має обов'язково супроводжуватися перманентним виділенням енергії. В результаті цей процес призвів би до виснаження електрона, який зрештою згаснув би і навіть упав на ядро.
Хвильова структура матері і
В 1924 молодий аристократ Луї де Бройль висунув думку, яка перевернула уявлення наукового співтовариства про такі питання як склад атомних ядер. Ідея полягала в тому, що електрон - це не просто рухома кулька, яка обертається навколо ядра. Це розмита субстанція, яка рухається за законами, що нагадують поширення хвиль у просторі. Досить швидко цю виставу розповсюдили і на рух будь-якого тіла в цілому, пояснивши, що ми помічаємо тільки одну сторону цього руху, а ось друга фактично не виявляється. Ми можемо бачити поширення хвиль і не помітити рух частинки, або ж навпаки. Насправді обидві ці сторони руху завжди існують, і обертання електрона по орбіті - це переміщення самого заряду, а й поширення хвиль. Такий підхід кардинально відрізняється від прийнятої раніше планетарної моделі.
Елементарна основа
Ядро атома – це центр. Навколо нього і обертаються електрони. Властивості саме ядра обумовлено все інше. Говорити про таке поняття як склад ядра атома необхідно з найважливішого моменту – із заряду. У складі атома спостерігається певне несуть негативний заряд. Саме ж ядро має позитивний заряд. З цього можна зробити певні висновки:
- Ядро - це позитивно заряджена частка.
- Навколо ядра знаходиться пульсуюча атмосфера, створювана зарядами.
- Саме ядро та його характеристики визначають кількість електронів в атомі.
Властивості ядра
Мідь, скло, залізо, дерево мають однакові електрони. Атом може втратити пару електронів або навіть усі. Якщо ядро залишається зарядженим позитивно, воно здатне притягнути потрібну кількість негативно заряджених частинок з інших тіл, що дозволить йому зберегтися. Якщо атом втрачає деяку кількість електронів, то позитивний заряд у ядра буде більшим, ніж залишок негативних зарядів. У цьому випадку весь атом придбає надлишковий заряд, і його можна буде назвати позитивним іоном. У деяких випадках атом може залучити більше електронів, і тоді він стане негативно зарядженим. Отже його можна буде назвати негативним іоном.
Скільки важить атом ?
Маса атома переважно визначається ядром. Електрони, які входять до складу атома та атомного ядра, важать мене однією тисячною від загальної маси. Оскільки масу вважають мірою запасу енергії, яким володіє речовина, цей факт вважається неймовірно важливим щодо такого питання, як склад ядра атома.
Радіоактивність
Найбільш складні питання постали після відкриття Радіоактивні елементи випромінюють альфа-, бета- та гамма-хвилі. Але таке випромінювання має джерело. Резерфорд 1902 року показав, що таким джерелом є сам атом, а точніше сказати, ядро. З іншого боку, радіоактивність - це не тільки випромінювання променів, а й переведення одного елемента в інший, з абсолютно новими хімічними та фізичними властивостями. Тобто радіоактивність – це зміна ядра.
Що ми знаємо про ядерну структуру?
Майже сто років тому фізик Проут висунув думку про те, що елементи в періодичній системі не є безладними формами, а являють собою комбінації. Тому можна було очікувати, що і заряди, і маси ядер виражатимуться через цілі та кратні заряди самого водню. Однак, це не зовсім так. Вивчаючи властивості атомних ядер за допомогою електромагнітних полів, фізик Астон встановив, що елементи, атомні ваги яких не були цілими і кратними, насправді - комбінація різних атомів, а не одна речовина. У всіх випадках, коли атомна вага не є цілим числом, ми спостерігаємо суміш різних ізотопів. Що таке? Якщо говорити про склад ядра атома, то ізотопи - атоми з однаковими зарядами, але з різними масами.
Ейнштейн та ядро атома
Теорія відносності говорить, що маса - це не міра, за якою визначають кількість матерії, а міра енергії, якою володіє матерія. Відповідно, матерію можна виміряти не масою, а зарядом, що становить цю матерію, та енергією заряду. Коли однаковий заряд наближається до іншого такого ж, енергія буде збільшуватися, інакше - зменшуватися. Це, безсумнівно, значить зміна матерії. Відповідно, з цієї позиції ядро атома - це не джерело енергії, а скоріше залишок після її виділення. Отже, існує певна суперечність.
Нейтрони
Подружжя Кюрі під час бомбардування альфа-частинками берилію відкрило деякі незрозумілі промені, які, зіштовхуючись з ядром атома, відштовхують його з величезною силою. Однак вони здатні проходити крізь велику товщину речовини. Ця суперечність вирішилася тим, що ця частка виявилася з нейтральним електричним зарядом. Відповідно її і назвали нейтроном. Завдяки подальшим дослідженням виявилося, що майже така сама, як і у протона. Загалом кажучи, нейтрон і протон неймовірно схожі. З урахуванням цього відкриття можна було встановити, що до складу ядра атома входять і протони, і нейтрони, причому в однакових кількостях. Все поступово ставало на місця. Число протонів – атомний номер. Атомна вага – це сума мас нейтронів та протонів. Ізотопом можна назвати елемент, у якому кількість нейтронів і протонів буде не рівним один одному. Як мовилося раніше вище, у разі, хоча елемент залишається фактичним тим самим, його якості можуть значно змінитися.
