Образовака🌡️ Физика9 классСтроение атома и атомного ядра. использование энергии атомных ядер

Удельная энергия связи нуклонов в ядре

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 135.

Почему одни элементы оказываются стабильными, а другие — быстро распадаются? Ответ на этот вопрос дает исследование энергии связи нуклонов в ядре. Рассмотрим эту тему подробнее.

Баланс сил внутри ядра

На нуклоны внутри ядра одновременно действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Баланс этих сил и определяет ядерную стабильность. Однако эти силы имеют существенно различную природу и свойства.

Поскольку все протоны в ядре заряжены положительно, то между ними существуют кулоновские силы отталкивания, стремящиеся разрушить ядро. Чем ближе протоны друг к другу и чем их больше, тем эти силы сильнее. Переносчиками этих сил являются фотоны, поэтому, хотя по мере увеличения расстояния силы отталкивания падают, это происходит относительно медленно.

Силам отталкивания противостоят силы ядерного притяжения (сильного взаимодействия). Силы эти значительно мощнее кулоновских. Их переносчиками являются глюоны. Но, в отличие от фотонов, которые электрически нейтральны и сами не участвуют в электромагнитном взаимодействии, глюоны несут ядерный («цветовой») заряд и в ядерном взаимодействии участвуют наравне с нуклонами. Поэтому глюоны не могут удаляться от источника на большие расстояния. Это определяет малый радиус действия ядерных сил.

В результате на расстояниях порядка $10^{-15}$м нуклоны прочно удерживаются рядом, обмениваясь глюонами. Но с ростом расстояния обмен глюонами становится всё менее вероятен, и сила взаимодействия резко ослабевает. На расстояниях порядка $10^{-14}$м силы ядерного притяжения имеют порядок кулоновских сил, а далее очень быстро падают.

Энергия связи нуклонов

Для расщепления ядра необходимо удалить нуклоны на расстояние, превышающие радиус действия ядерных сил. Энергия, требуемая для этого, различна для различных ядер.

Если нуклонов в ядре мало, то глюонам легко удерживать их вместе. И по мере роста количества нуклонов глюонные силы растут (по сравнению с кулоновскими силами отталкивания).

Однако при увеличении количества нуклонов они располагаются всё дальше друг от друга, вероятность обмена глюонами понижается. В результате глюонные силы начинают ослабевать, а кулоновские силы — по прежнему растут.

Получается, что по мере роста количества нуклонов в ядре энергия связи ядра сперва растет, а потом начинает падать. Ядра, в которых нуклонов очень много, теряют стабильность и начинают распадаться самопроизвольно. Этим и объясняется радиоактивность тяжелых ядер. Кроме того, тяжелое ядро легче распадается при внешнем воздействии на него.

Для определения удельной энергии связи нуклонов ядра бомбардируют частицами с известной энергией, а потом рассчитывают энергию продуктов распада по специальным формулам. Из энергии продуктов можно рассчитать энергию связи и составить из полученных значений график:

Рис.2. График удельной энергии связи нуклонов в ядре.

По представленному графику видно, что по мере увеличения количества нуклонов в ядре удельная энергия связи нуклонов в ядре сперва быстро растет, потом при массовом числе 50~60 достигается максимум, где энергия равна 8,6 МэВ на нуклон, — это самые стабильные ядра. Далее удельная энергия связи начинает падать.

Нейтрон не имеет электрического заряда и не испытывает кулоновского отталкивания. При этом он участвует в ядерном взаимодействии и «цементирует» ядро. Поэтому в более тяжелых ядрах относительная доля нейтронов увеличивается. Однако нейтрон нестабилен, и по мере увеличения количества нейтронов в ядре становится «выгодным» их распад в результате слабого взаимодействия. Тяжелое ядро всё равно оказывается нестабильным, но на этот раз из-за слабого взаимодействия.

Что мы узнали?

Стабильность атомного ядра определяется удельной энергии связи нуклонов в ядре. По мере роста числа нуклонов энергия связи на каждый нуклон сперва растет, при числе нуклонов 50~60 достигается максимум (порядка 8,6 МэВ на нуклон), далее удельная энергия связи начинает падать.