ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ НУКЛОНИТЕ В ЯДРАТА
Ядрени сили
Наблюдаваните закономерности в стабилността на ядрата се обясняват с действащите между нуклоните сили. Вече знаем, че между протоните в ядрото действат електрични сили на отблъскване. Фактът, че въпреки това в природата съществуват голям брой стабилни ядра, показва, че между нуклоните в ядрото действат и сили на привличане, много по-големи от електричните. Това са ядрените сили. Взаимодействието между нуклоните в ядрото е най-силното в природата, известно до сега и се нарича още силно взаимодействие. На разстоянията, на които се намират нуклоните в ядрата, ядрените сили са около 1000 пъти по-големи от Кулоновото отблъскване между протоните.
Ядрените сили имат следните основни свойства:
1. Те са само сили на привличане.
2. Не зависят от електричния заряд. Силите, които действат между протон и протон, протон и неутрон и между неутрон и неутрон, са еднакви.
3. Действат само на много малки разстояния. Ядрените сили са много големи при разстояния между нуклоните, по-малки от 10-15 m, и са практически 0 при разстояния, по-големи от 10070-14 m.
Тези свойства на ядрените сили обясняват закономерностите в стабилността на ядрата. С увеличаване на броя на протоните Z расте електричната сила на отблъскване между тях. За поддържане стабилността на ядрата са необходими повече неутрони, между които действат само ядрени сили на привличане. При ядра с голям атомен номер (Z > 82) излишъкът от неутрони не може да компенсира кулоновите сили на отблъскване, които са много по-далекодействащи и всички ядра са нестабилни.
Масов дефект
Друга интересна особеност е, че масата на ядрата е винаги по-малка от сумата на масите на нуклоните, които ги изграждат.
ПРИМЕР Като използвате данните от табл. 1, намерете разликата между масата на ядрото на деутерия и сумата от масите на съставящите го нуклони.
Дадено:
Търси се:
Решение: Масата на деутерия е всъщност масата на ядрото плюс масата на електрона. За да не влияе масата на електрона върху пресмятанията, използваме масата на водорода, която е сума от масата на протона и масата на електрона. Така
Естествено възниква въпросът, къде е "изчезнала" част от масата на нуклоните (фиг. 15).
Енергия на връзката
Алберт Айнщайн показва, че съществува неразривна връзка между масата и енергията на телата. Всяко тяло с маса в покой m0 има енергия
където с = 3.108 m/s е скоростта на светлината във вакуум. При свързване на нуклоните в ядрото част от масата им се превръща в енергия и се излъчва. Отделената енергия е
Това е енергията, която трябва да предадем на ядрото, за да го разделим на съставящите го протони и неутрони. Тя се нарича енергия на връзката.
Специфична енергия на връзката се нарича енергията на връзката, падаща се на един нуклон.
Като използваме получения в примера масов дефект, можем да пресметнем, че енергията на връзката и специфичната енергия на връзката на деутерия са
По същия начин може да бъде намерена енергията на връзката на другите ядра. За всички ядра тя е от порядъка на стотици MeV. За сравнение енергията, необходима за откъсване на електорона от водородния атом е 13,6 eV.
На фиг. 16 е показана зависимостта на специфичната енергия на връзката на стабилните ядра от броя на нуклоните А.
Фиг. 16. Зависимост на специфичната енергия на връзката на атомните ядра от тяхното масово число А
С увеличаване на масовото число отначало специфичната енергия бързо нараства, след което при А = 15 тя достига стойност около 8 MeV и остава близка до тази стойност, като при А > 60 бавно намалява. Кривата има максимум при масово число около 60. Голямата специфична енергия на връзката съответства на силно свързани в ядрото нуклони. Това означава, че ядрата от средата на периодичната система (А = 60) са най-стабилни. Много леките и много тежките ядра имат по-малка специфична енергия на връзката. Следователно при свързване на леките ядра в по-тежко и при делене на тежките ядра се освобождава енергия. Този факт стои в основата на съвременната атомна енергетика и в стремежа на човечеството за създаване на термоядрени електроцентрали.
Въпроси и задачи
1. Кои сили са ядрени и какво е характерно за тях?
2. Какво наричаме масов дефект и какъв е неговият физичен смисъл?
3. Каква зависимост съществува между стабилността на ядрата и специфичната енергия на връзката?
4. Каква енергия в покой има: а) електронът; б) протонът?
5. Масовият дефект на хелий (А = 4, Z = 2) е 0,030377 u. Намерете енергията на връзката и специфичната енергия на връзката за това ядро.
Отг. 28,4 MeV; 7,1 MeV
6. Специфичната енергия на връзката на въглерод (А = 12, Z = 6) е 7,7 MeV. Намерете енергията на връзката и масовият дефект.
Отг. 92,4 MeV; 0,0989 u