Строение атомов и энергия атомных ядер.

По современным представлениям атомные ядра состоят из тяжелых элементарных частиц – нуклонов. Заряженный положительно нуклон – протон (его заряд 1.602∙10^-1 кулона) (ядро атома H ) . Нуклон, не имеющий заряда – нейтрон. Ядра атомов химических элементов обозначаются символом _zХ^m, где m – число нуклонов в ядре, называется массовым числом ядра приблизительно соответствует массе ядра, определяет заряд ядра и атомный номер элемента.

Число нейтронов в ядре m-z. Запись ₀n¹ (n₀¹). Число электронов в оболочке атома равно числу протонов в ядре. Электрон обозначается e_-1.

Масса покоя протона =1.008142 AEM, масса нейтрона -1.008982 AEM, т.е.массы ≈ 1 AEM или 1.66∙10^-24г. Масса электрона в 1840 р< и составляет 9.106 ∙ 10^-28г.

Размеры нуклонов имеют порядок 10^-13см.

Радиус атомного ядра : R=1.3 ∙ 10^-13 m^⅓ см.

Радиус всего атома ≈ 10^-8см. ( как бы R_ат ≈ 1кл, а R_ядра=10см). В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Плотность ядра ≈ 10¹⁴ г/см³.

Энергия элементарных частиц выражается в электронах – вольтах. 1эл соответствует соответствует приращению энергии электрона при прохождении им электрического магнитного поля с ускоряющей разностью потенциалов в 1в.

Мэв=10⁶ эв. 1эв=4.45 ∙ 10^-26 квт.ч=383 ∙ 10^-20кал.

Из теории относительности Эйнштейна зависимость между массой и энергией Е=mc².

(c=3 ∙ 10¹⁰cм/сек – скорость света в пустоте) следует, что 1^й ат.ед. в соответствует энергия 931 Мэв.

Число протонов в ядре и электронов в оболочке, следовательно, заряд ядра и атомный номер для каждого элемента – постоянны. Массовое число может изменятся за счет изменения числа нейтронов. При этом химические свойства вещества не изменяются.

Атом какого – либо элемента, ядра которых имеют различные массы, называются изотопами этого элемента. Так, например, протий, дейтерий и тритий – изотопы водорода. Их ядра записываются как ₁H¹ ; ₁H² ; ₁H³. Тяжелый элемент уран существует в природе в виде 3-х изотопов ₉₂U²³⁸, ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³⁴ . Ядра с m=const, но z=varia называются изобарами, а с постоянным m и z, но с различными схемами распада – изомерами.

Естественная радиоактивность – самопроизвольное (спонтанное) деление ядер. При этом распаде радиоактивный элемент без внешнего воздействия превращается в другой и освобождается энергия в виде радиоактивного излучения. И это продолжается до тех пор пока не образуется стабильный (нерадиоактивный) элемент.

Время, за которое распадается половина начального числа атомов данного радиоактивного элемента, называется его периодом полураспада Т, величина которого характеризует скорость распада (от далей секунды до миллиарда лет).

Среднее время, проходящее между моментами образования ядра данного радиоактивного элемента и моментами их распада, называется средним временем жизни ядра ≈ 1,44 Т. Торий Th имеет Т=1.65 ∙ 10¹⁰ лет, Ra имеет Т = 1590 лет, остатки (из семейства уран-радия) Т = нескольким секундам.

За единицу радиоактивности веществ принято число распадов ядер, происходящие в 1г. Радия в 1сек. u= 3.7 ∙ 10¹⁰ распадов/сек.

Энергия ядра

Важное значение имеет понятие о так называемом дефекте массы. В невозбужденном ядре равновесие составляющих его нуклонов поддерживается действием внутриядерных сил взаимного притяжения нуклонов и электростатических кулоновских сил отталкивания одноименных заряженных частиц – протонов.

Изменения состояния равновесия этих сил в ядре изменяет его энергетическое состояние.

Для того, чтобы внутриядерные силы начали действовать, необходимо сблизить нуклоны на расстояние порядка 10^-13ем. и при этом преодолеть кулон-силы отталкивания. Предположим, что нуклоны ядра удалены друг от друга с затратой на это некоторой работы. Их энергия в новом положении больше прежней. Если под влиянием ядерных сил притяжения они снова сблизятся, то после сближения их энергия будет меньше. Соединение нуклонов в устойчивую систему ядра связано с выделением энергии. Таким образом, энергия всякого ядра меньше суммы энергий свободных нуклонов этого ядра. Разность энергий называется энергией связи ядра и составляющей работе, необходимой для разделения (полного) ядра на все нуклоны.

Энергия связи образовывается за счет перехода в энергию некоторого количества массы образующих ядро нуклонов. Таким образом, масса ядра при его образовании будет меньше суммы масс свободных нуклонов.

Если сложить массы протонов и нейтронов ядра и сравнить эту величину в АЕМ , с полученной непосредственным измерением, то можно обнаружить, что последняя величина меньше.

Убыль массы говорит о том, что энергия выделившаяся при образовании ядра, возникла за счет того, что часть массы соединившихся нуклонов перешла в энергию по закону Е=mc². Поэтому дефект массы можно назвать энергией массы. ∆ E ≈ Мэв для 1 нукл.

Дефект массы, есть мера энергии связи ядра или мера его устойчивости. С увеличением числа нуклонов в ядре дефект массы возрастает.

На больших расстояниях от центра ядра внутриядерная сила =0. При сближении меньше 10 ^-13см они >> кулоновских сил. Поэтому преодолев силы отталкивания и попав в поле действия сил частица оказывается как бы в яме, из которой она может выйти только тогда когда она смоет преодолеть “потенциальный барьер”, для чего частицу нужно активизировать, т.е. сообщить ей некоторую дополнительную энергию большую внутриядерных сил притяжения.

Энергия ядра должна иметь следующие составляющие:

1. Энергетический состав суммы масс протонов и нейтронов, образующих ядро.

2. Потенциальную энергию внутриядерных сил, пропорциональную числу нуклонов m. Она имеет отрицательный знак и понижает полную энергию ядра, увеличивая энергию связи.

3. Потенциальную энергию сил кулоновского отталкивания, пропорциональных m³ имеет +, больше энергии ядра, т.к.m³, то с ростом ядра и увеличении массового числа энергия связи постепенно уменьшается.

4. Поверхностную энергию имеющую положительный знак и уменьшающую энергию связи, пропорциональную поверхности ядра, т.е.m ^2/3 , т.к. радиус ядра пропорционален m^1/3. (аналогия – поверхностная энергия жидкости, только здесь повторяется энергия в ядре в 10⁶ больше чем межатомные связи на поверхности жидкости)

Малые ядра по аналогии с каплями жидкости должны слиться для уменьшения поверхностной энергии. Однако для такого слияния необходимо преодолеть силы отталкивания, например за счет сообщения кинетической энергии. Легки ядра могут соединяться в одно более тяжелое ядро. Полная энергия уменьшается. Уменьшается и масса ядра в соответствии с высвобождением энергии. Такое явление называют синтезом легких ядер.

Критическим значением массы и заряда являются m ≈ 200, z ≈ 120. Выше этих значений силы отталкивания разорвут ядро и такое ядро существовать не может (как и большая капля) Это естественный предел для таблицы Менделеева.

Поэтому можно говорить что (масса) после критического значения m и z ядро стремится разделиться. Разделиться может и ядро не достигшее еще критического размера, если его нуклонам будет сообщена извне энергия активизации, которая должна быть достаточной, чтобы помочь частице выбраться из “потенциальной ямы”.

Взаимодействие элементарных частиц с ядрами различных веществ называют ядерными реакциями.

Для этого бомбардируют ядра различных элементов элементарными заряженными частицами высоких энергий (для этого их ускоряют). Для бомбардировки ядер удобно использовать нейтроны, т.к. они не нуждаются в ускорении для преодоления потенциального барьера, т.к. не имея заряда, не испытывают действия сил кулоновского отталкивания поля ядра.