Фізика 11 клас

АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА

 

Розділ 5 Атомна і ядерна фізика

 

§ 48. АТОМНЕ ЯДРО. ЯДЕРНІ СИЛИ. ЕНЕРГІЯ ЗВ"ЯЗКУ АТОМНИХ ЯДЕР

 

У 1932 р. сталася дуже важлива для всієї ядерної фізики подія. Учень Е. Резерфорда, англійський фізик Д. Чедвік відкрив нову частинку — нейтрон.

Під час бомбардування а-частинками берилію протони не виникали. Але були виявлені якісь дуже проникні промені, здатні долати таку перешкоду, як свинцева пластинка товщиною 10—20 см. Було припущено, що це у-промені, які мають велику енергію.

І. Жоліо-Кюрі та Ф. Жоліо-Кюрі виявили, що коли на шляху випромінювання берилію поставити парафінову пластинку, то йонізуюча здатність цього випромінювання різко зростає. Вони припустили, що випромінювання берилію вибиває з парафінової пластинки протони, яких багато в парафіні — речовині, що містить водень. За допомогою камери Вільсона (схему досліду наведено на мал. 205) подружжя Жоліо-Кюрі виявили ці протони і за довжиною пробігу оцінили їхню енергію. Якщо припустити, що протони прискорювалися внаслідок зіткнень з у-квантами, то енергія цих квантів має бути величезною — близько 55 МеВ.

 

 

Мал. 205

Чедвік спостерігав у камері Вільсона треки ядер Нітрогену, що зазнавали зіткнень з випромінюванням берилію. За його оцінкою енергія у-квантів, здатних надати ядрам швидкість, що відповідає спостереженням, мала б дорівнювати 90 МеВ. Подібні спостереження в камері Вільсона трків ядер Аргону привели до висновку, що енергія зазначених гіпотетичних у-квантів має бути 150 МеВ. Припускаючи, що ядра починають рухатися внаслідок зіткнень з частинками, які не мають маси спокою, дослідники помітили явні суперечності: одним і тим самим у-квантам доводилося приписувати різну енергію.

Стало очевидним, що припущення про випромінювання берилієм у-квантів, які не мають маси спокою, необгрунтоване. Під дією а-частинок з берилію вилітають якісь досить важкі частинки, бо лише від зіткнення з важкими частинками протони або ядра Нітрогену й Аргону могли набути такої величезної енергії, яка спостерігалася. Оскільки ці частинки мали велику проникну здатність і безпосередньо не йонізували газ, то, очевидно, вони були електрично нейтральні. Адже заряджена частинка сильно взаємодіє з речовиною і тому швидко втрачає свою енергію.

Нову частинку назвали нейтроном. Її існування передбачав Резерфорд більш ніж за 10 років до дослідів Чедвіка. За енергією та імпульсом ядер, що стикаються з нейтронами, визначили їхню масу. Виявилося, що вона трохи більша від маси протона — 1838,6 електронних мас проти 1836,1 для протона.

Через попадання а-частинок в ядра Берилію відбувається така реакція:

Заряд нейтрона дорівнює нулю, а відносна маса — приблизно одиниці.

Одразу після того, як у дослідах Чедвіка було відкрито нейтрон, відомі фізики Д. Іваненко і В. Гейзенберг у 1932 р. запропонували протонно-нейтронну модель ядра, згідно з якою ядра атомів складаються з елементарних частинок двох видів: протонів і нейтронів.

Кількість протонів в ядрі дорівнює кількості електронів в атомній оболонці, тому що в цілому атом нейтральний. Отже, кількість протонів в ядрі дорівнює атомному номеру елемента Z у Періодичній таблиці елементів Д. І. Менделєєва.

Масовим числом А називають суму числа протонів Z і числа нейтронів N в ядрі:

A = Z + N.

Маси протона і нейтрона близькі між собою і кожна з них приблизно дорівнює атомній одиниці маси. Маса електрона в атомі значно менша від маси ядра. Тому масове число ядра дорівнює округленій до цілого числа відносній атомній масі елемента. Масові числа можна визначити грубим вимірюванням мас ядер навіть не дуже точними приладами.

Ізотопи — це ядра з одним і тим самим значенням Z, але з різними масовими числами А, тобто з різною кількістю нейтронів N.

Оскільки ядра досить стійкі, то протони і нейтрони мають триматися в ядрі якимись силами, причому дуже великими. Що це за сили? Завчасно можна сказати, що це не гравітаційні сили, які занадто слабкі. Стійкість ядра не можна пояснити також електромагнітними силами, тому що між однойменно зарядженими протонами діє електричне відштовхування, а нейтрони не мають електричного заряду.

Отже, між ядерними частинками — протонами і нейтронами (нуклонами) — діють особливі сили. Назва для них знайшлася сама по собі — ядерні сили.

Ці сили приблизно в 100 разів більші від електромагнітних. Це найпотужніші сили з усіх, що є в природі. Тому взаємодію ядерних частинок часто називають сильною взаємодією. Причому сильна взаємодія не зводиться лише до взаємодії нуклонів в ядрі. Це особливий вид взаємодії, властивий багатьом елементарним частинкам разом з електромагнітною взаємодією.

Інша важлива особливість ядерних сил — це їх короткодіючий характер. Електромагнітні сили порівняно повільно зменшуються з відстанню.

Дуже важливу роль в усій ядерній фізиці відіграє поняття — енергія зв’язку ядра. Під енергією зв’язку ядра розуміють ту енергію, яка потрібна для повного розщеплення ядра на окремі нуклони. Спираючись на закон збереження енергії, можна також стверджувати, що енергія зв’язку дорівнює тій енергії, яка виділяється під час утворення ядра з окремих частинок. Енергія зв’язку атомних ядер дуже велика. Але як її визначити?

Зробити відповідні розрахунки можна лише, застосувавши співвідношення Ейнштейна між масою і енергією:

Точні вимірювання мас ядер показують, що маса спокою ядра Мя завжди менша від суми мас спокою його протонів і нейтронів:

Існує так званий дефект мас:

різниця мас додатна. Зокрема, для Гелію маса ядра на 0,75% менша від суми мас двох протонів і двох нейтронів. Отже, для одного моля Гелію ∆M = 0,03 г. Зменшення маси під час утворення ядра з частинок означає, що при цьому зменшується енергія цієї системи частинок на значення енергії зв’язку Езв:

Але куди при цьому зникає енергія Езв і маса AM?

Під час утворення ядра з частинок вони під дією ядерних сил на малих відстанях прямують одна до одної з величезним прискоренням. Випромінювані при цьому укванти мають енергію Езв і масу:

Про значення енергії зв’язку можна судити з такого прикладу: під час утворення 4 г гелію виділяється стільки ж енергії, як від згоряння 1,5—2 вагонів кам’яного вугілля.

Важливу інформацію про властивості ядер дає експериментально виміряна залежність питомої енергії зв’язку, тобто енергії зв’язку, що припадає на один нуклон, від масового числа А.

 

Мал. 206

 

З мал. 206 добре видно, що коли не брати до уваги найлегші ядра, то питома енергія зв’язку приблизно стала і дорівнює 8 МеВ/нуклон. Зазначимо, що енергія зв’язку електрона з ядром в атомі Гідрогену, яка дорівнює енергії йонізації, майже в мільйон разів менша. Крива на мал. 206 має слабо виявлений максимум. Максимальну питому енергію зв’язку (8,6 МеВ/нуклон) мають елементи з масовим числом від 50 до 60, тобто залізо і близькі до нього за порядковим номером елементи. Ядра цих елементів найстійкіші.

Зменшення питомої енергії зв’язку для легких елементів пояснюється поверхневими ефектами. Нуклони, які містяться на поверхні ядра, взаємодіють з меншою кількістю сусідів, ніж нуклони всередині ядра, оскільки ядерні сили короткодіючі. Тому енергія зв’язку нуклонів на поверхні менша, ніж у нуклонів усередині ядра. Чим менше ядро, тим більша частина загальної кількості нуклонів виявляється на поверхні. Через це енергія зв’язку в середньому на один нуклон менша в легких ядер.

У важких ядер питома енергія зв’язку зменшується внаслідок зростання із збільшенням Z кулонівської енергії відштовхування протонів. Кулонівські сили намагаються розірвати ядро.

λ > λm





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити