4.1. Ядро атома, его характеристики

Остановимся сначала на некоторых экспериментальных фактов, которые позволят нам составить представление об атомном ядре, достаточное для того, чтобы понять то внимание, которое к нему в настоящее время проявляет всё человечество.

Ядро атома было обнаружено в опытах Резерфорда (см. параграф 2.1 настоящего пособия) по обстрелу тонкой фольги быстро летящими частицами. В этих опытах Резерфорд установил две важнейшие характеристики ядра: его размеры и заряд. Ядро имеет размеры порядка 10^–15 м, заряд его положителен и всегда равен целому числу Z элементарных зарядов: q_я = Ze, где Z — порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева. Порядковый номер элемента указывается рядом с химическим символом в виде нижнего индекса.

Масса ядра, как это принято в атомной и ядерной физике, выражается в атомных единицах массы — а.е.м. Напоминаем, что за атомную единицу массы принята двенадцатая часть массы атома углерода: m_а.е.м. = = 1,66?10^–27 кг. Массы атомов всех химических элементов определены экспериментально на масс-спектрографах, описание принципа действия которых можно найти во второй части нашего курса лекций [16]. Значения этих масс приведены в таблицах с большой точностью — до шести и более значащих цифр. Например, масса атома водорода ₁Н¹ равна 1,00783 а.е.м., атома гелия ₂Не⁴ — 4,00260 а.е.м. Масса ядра меньше массы атома на суммарную массу всех его электронов. Целая часть числа, выражающего относительную массу атома (или массу ядра) называется массовым числом, и именно оно указывается возле символа элемента в виде верхнего индекса: ₉₂U²³⁵, ₈₈Ra²²⁶, ₃Li⁷ и др.

Хорошо известно, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, масса которых приблизительно одинакова и близка к одной а.е.м.

Анализируя таблицу Менделеева, можно заметить, что в её начале число протонов в ядре равно числу нейтронов. Постепенно нейтронов становится больше, чем протонов, и к концу периодической системы число нейтронов существенно превышает число протонов (рис. 4.1). Например, в ядре урана нейтронов почти в полтора раза больше, чем протонов. Очевидно, что при равенстве числа нейтронов и числа протонов кривая N = A – Z на рис. 4.1 была бы прямой, показанной пунктиром. Этот, казалось бы, не очень существенный факт приводит, в конечном итоге, к возможности использования ядерной энергии.

Попытаемся теперь на основе полученных в третьем разделе знаний оценить величину этой энергии. Ядро является наиболее стабильным образованием из всех известных: действительно, атом при нагревании теряет свои электроны под действием тепловых ударов, происходит его ионизация. Любая химическая реакция тоже связана с перестройкой электронной оболочки: атомы, образуя молекулы, обмениваются своими электронами. Ядро же всегда, при любой химической реакции сохраняется неизменным. Это означает, что частицы внутри ядра сильно связаны между собой, и чтобы освободить их, нужно затратить гораздо больше энергии, чем для ионизации атома. Иначе говоря, ядро является очень глубокой потенциальной ямой для составляющих его частиц — нуклонов.

Используя выражение (3.49) для энергии частицы в потенциальном ящике, подставив в него значения массы нуклона и приняв за ширину ямы диаметр ядра, получим, что энергия частицы, находящейся в ядре, имеет величину порядка миллиона электрон-вольт, т.е. в сотни тысяч раз больше той энергии, которой обладает электрон в атоме.

Нуклоны в ядре упакованы плотно, так как при обстреле ядра быстро летящими частицами установлено, что они не пролетают через ядро насквозь, как это наблюдалось при обстреле атомов. Любая частица, попав в ядро, застревает в нём, приводя его в возбуждённое состояние. При этом ядро может испустить частицу, но это будет уже совсем не та частица, которой его обстреляли.

Частицы внутри ядра удерживаются ядерными силами, которые проявляются лишь на расстояниях, имеющих порядок 10^–15 м. С увеличением расстояния величина ядерных сил быстро убывает. Если расстояние между протонами больше 5?10^–15 м, начинают преобладать электростатические силы, которые на меньших расстояниях значительно слабее ядерных, удерживающих вместе отталкивающиеся протоны. По современной теории эти силы обеспечиваются существующим внутри ядра полем, квантом которого является мезон — нестабильная частица, имеющая массу покоя, равную примерно 270 массам электрона (напомним, что масса нуклона составляет ~ 2000 масс электрона). Масса покоя фотона, как мы знаем, равна нулю, а фотон является квантом электромагнитного поля и обеспечивает электромагнитное взаимодействие между зарядами. Мезон, благодаря своей большой массе, способен обеспечить существенно более сильное взаимодействие, чем электростатическое, но только на очень малом расстоянии между частицами.

Конкретный закон изменения ядерных сил с расстоянием неизвестен. Поэтому ядерное взаимодействие вместо силы принято характеризовать энергией взаимодействия частиц в ядре, которую принято называть энергией связи.

Есв = c2Δm,

(4.1)

где Δm — дефект масс, который находится, как разность суммарной массы нуклонов и массы ядра:

Δm = [Zmp + (A – Z)mn] – mя.

(4.2)

Здесь т_р — масса протона; т_п — масса нейтрона; т_я — масса ядра. По этой формуле определяется величина энергии связи, которая положительна. Она выделилась в момент образования ядра. Соответственно на эту величину уменьшилась энергия частиц, когда они сконденсировались в ядро. Если энергия Е взаимодействия частиц до их слияния была равна нулю, то в ядре она отрицательна. Следовательно, энергия взаимодействия протонов и нейтронов в ядре равна энергии связи (4.1), взятой с обратным знаком: Е = – Е_св. Индивидуальной характеристикой ядра оказывается не вся энергия Е, а удельная энергия

,

(4.3)

приходящаяся на один нуклон, и характеризующая прочность, устойчивость ядра.

Мы уделяем такое внимание обсуждению наблюдаемой закономерности по­тому, что это весьма важно для понимания того, что существует всего две возможности по­лучения ядерной энергии:

1) образова­ние более тяжёлых элементов из лёгких путём слияния ядер;

2) образование более лёгких элементов из тяжёлых путём деления их ядер.

То есть обе возможности выделения внутриядерной энергии связаны с переходом элементов с приподнятых ветвей кривой рис. 4.2 к её сере­дине.