Атомно ядро

1. Състав на атомното ядро

    Ядрата са изградени от протони и неутрони, които се наричат с общото име нуклони (фиг.4-1). Протоните са носители на елементарен положителен заряд , а неутроните са електронеутрални. Ядрата се характеризират със:

  • атомен номер Z, който е равен на броя на протоните в ядрото;
  • брой на неутроните N;
  • масово число A = Z + N

    За представяне на ядрата се използва символът , където Х е знакът на химичният елемент, А- масовото число, а Z - атомният номер. Например е ядро на химичния елемент въглерод (С) с масово число А = 12, със Z = 6 протона и N = A - Z = 12 - 6 = 6 неутрона.

    Атомите на един и същ химичен елемент, които имат в ядрата си различен брой неутрони, се наричат изотопи. Всеки химичен елемент има по няколко изотопа. Например изотопите на водорода са три: водород , деутерий и тритий .

    Масите на протона и неутрона са близки и почти 2000 пъти по- големи от масата на електрона:

me = 9,1.10-31 kg 

mp ≈ 1836 me = 1,673.10-27 kg

mn ≈ 1839me = 1,675.10-27 kg

    Масата на ядрата се измерва в атомни единици за маса u. По определение една атомна единица за маса (1u) е равна 1/12 от масата на изотопа

  атомна единица за маса

2. Стабилност на атомните ядра

    Стабилни са ядрата, които съществуват неограничено дълго време, ако не са подложени на външно въздествие. Нестабилните ядра спонтанно (без външно въздействие) се разпадат и изпускат частици. Това явление се нарича радиоактивност. Съществуват около 400 стабилни ядра и още стотици други ядра, които са нестабилни. Наблюдават се следните закономерности:

  1. Ядрата с малък атомен номер Z са най- стабилни, когато броят на неутроните в тях е равен на броя на протоните N = Z:
  2. Стабилните ядра с голям атомен номер имат повече неутрони, отколкото протони.
  3. Всички ядра с повече от 83 протона са нестабилни.

3. Ядрени сили

    Стабилността на атомните ядра се обяснява с действието на ядрените сили. Експериментално са установени основните свойства на ядрените сили:

  1. От съществуването на стабилни ядра следва, че ядрените сили компенсират електричното отблъскване между протоните, т.е. те са сили на привличане. Когато броят на протоните в ядрото нараства, нараства и електричното отблъскване между тях, което се стреми да разцепи ядрото. За да се запази стабилността на ядрото, необходим е по- голям брой неутрони, тъй като на неутроните действат само ядрени сили на привличане. Това качество обяснява защо стабилните ядра с голям атомен номер имат повече неутрони, отколкото протони. При много малки разстояния между нуклоните обаче силите на привличане се сменят с ядрени сили на отблъскване.
  2. Ядрените сили не зависят от електричния заряд. Положително заредените протони и незаредените неутрони взаимодействат с еднакви сили.
  3. Ядрените сили се насищат. Всеки нуклон взаимодейства само със своите съседи. Това показва, че ядрените сили много бързо намаляват с разстоянието между нуклоните. На малки разстояния ядрените сили са значително по- големи от електричните сили.

4. Енергия на връзката

    За разделянето на частици, които взаимодействат със сили на привличане и образуват свързана система, е необходимо външни сили да извършат положителна работа, т.е. трябва да се изразходва определена енергия. Например за откъсване на електрона от водородния атом са нужни 13,6 eV енергия. Енергията, необходима за разделянето на атомното ядро на отделни неподвижни протони и неутрони, които не взаимодействат помежду си, определя т.нар. енергия на връзката ΔE на атомното ядро. Стойността й се измерва в мегаелектронволти (MeV). Тя зависи от броя на нуклоните в ядрото. Енергията на връзката за един нуклон, т.е. отношението ΔE/A, се нарича специфична енергия на връзката.

На фиг. 4-2 графично е представена зависимостта на специфичната енергия на връзката от масовото число А.

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фиг. 4-2. Зависимост на специфичната енергия на връзката на атомните ядра от тяхното масово число А.

Източник: https://www.solemabg.com

 

    От нея се вижда, че с изключение на най- леките ядра, средната стойност на специфичната енергия на връзката е около 8 MeV. Стойността на ΔE/A е максимална за ядрата с масово число А = 60. Това означава, че тези ядра са най- стабилни- техните нуклони са свързани най- здраво.

    Слабата зависимост на специфичната енергия на връзката от масовото число се обяснява със свойството на ядрените сили да се насищат: даден нуклон не взаимодейства с всички останали нуклони в ядрото, а само с ограничен брой свои най- близки съседи.

5. Масов дефект

    Алберт Айнщайн доказва, че всяко неподвижно тяло с маса m0 притежава енергия E0, наречена енергия на покой. Неразривната връзка между масата и енергията се изразява със знаменитата формула на Айнщайн

(4.1)        връзка между маса и енергия

където c = 2,9979.108 m/s   е скоростта на светлината във вакуум.

    За да се разложи на отделни нуклони, атомното ядро трябва да получи допълнитена енергия. Следователно свободните нуклони имат по- голяма енергия на покой и по- голяма маса, отколкото същите нуклони, свързани в ядро (фиг. 4-3). Разликата между сумата от масите на изходните свободни протони и неутрони и масата на ядрото се нарича масов дефект и се означава с Δm. Енергията, съответстваща на масовия дефект, т.е. на намаляването на масата при свързването на нуклоните в ядро, е енергията на връзката ΔE. Съгласно с формулата на Айнщайн (4.1)

(4.2)     енергия на връзката

Енергията на връзката е равна на произведението на масовия дефект и квадрата на скоростта на светлината във вакуум.


Изтегли в .pdf                     Изтегли в .docx

Дали научихме всичко?

Проверете със следния тест!

Любопитно

Плътността на повечето ядра е еднаква. Тя е ρ ≈ 1,6.1014 g/cm3

Ърнест Ръдърфорд (1871-1937), новозенландски физик, живял и работил в Англия. През 1911 година Ръдърфорд и неговите сътрудници изследват разсейването на алфа- частиците от веществото и установяват, че атомите имат положително заредени плътни ядра. През 1917 година той извършва първата експериментална ядрена реакция, през 1919 г. открива протонът.

Фиг. 4-1. Модел на атомно ядро: плътно притиснати една до друга сфера, всяка от които е отделен нуклон (протон или неутрон).

Джеймс Чадуик (1891-1974), английски физик, ученик на Ръдърфорд. През 1932 година открива експериментално неутрона.

Таблица 4-1. Маси на някои частици и атоми, изразени в атомни единици за маса u.

Частица (атом)

Маса, u

електрон

0,0005486

протон

1,0072765

неутрон

1,0086652

водород      

1,0078252

деутерий     

2,0141022

тритий         

3,0160497

хелий         

4,0026032

въглерод   

12

азот            

14,003074

 

Фиг. 4-3. Масов дефект: масата на хелиевото ядро е по- малка от сумата от масите на двата протона и двата неутрона, от които е съставено ядрото.

За магическите ядра- това са особено стабилни ядра, които съдържат 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протона или неутрона. Съществуват и два пъти магически ядра- ядра, в които магически са както броят на протоните, така и броят на неутроните- , , , .