Тема 12. Свойства атомных ядер. Ядерные силы.

1. Состав атомного ядра. Нуклоны. Зарядовое и массовое числа. Характеристики протона и нейтрона. Масса, заряд и радиус атомного ядра. Спин и магнитный момент ядра. Изотопы, изобары.

Ядра атомов состоят из протонов (p) и нейтронов (n). Их общее название - нуклоны, ядро часто называют нуклидом.

Символ ядра: .

X - символ эл-та в таблице Менделеева.

Z - зарядовое число (число протонов в ядре , номер эл-та в таблице Менделеева).

A - массовое число, это общее количество протонов и нейтронов в ядре ().

- число нейтронов в ядре.

Протон - положительно заряженная частица. Его заряд равен заряду электрона, но имеет положительный знак. Протон имеет магнитный момент, из этого следует, что внутри протона существует некоторая структура.

Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет магнитный момент, направленный противоположно магнитному моменту протона. Это свидетельствует о том, что внутри нейтрона также имеется некоторая структура.

Магнитные моменты: ;

- ядерный магнетон.

Протон и нейтрон состоят из 2-х кварков, заряд которых +2/3 или -1/3 от элемент. заряда е.

Протон стабильная частица, нейтрон нестабильная, среднее время его жизни - 15мин. (период полураспада - 10,25мин.), затем он превращается в протон, электрон и антинейтрино: .

Химические элементы, в ядрах которых содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами.

Ядра с одинаковыми массовыми числами А, но разным числом протонов называются изобарами.

Если ядро считать шаром, то , получим радиус ядра: .

- масса ядра. (без учёта дефекта массы)

2. Ядерные силы, их особенности: короткодействие, зарядовая независимость, свойство насыщения.

 

Силы, посредством которых нуклоны удерживаются в ядре, называются ядерными силами. Они обладают следующими свойствами:

1)Это силы притяжения;

2)Ядерные силы короткодействующие. Радиус действия ;

3)Зарядовая независимость, Силы притяжения между pp-, pn-, nn-нуклонами одинаковая.

4)Ядерные силы нецентральные. Нельзя указать внутри ядра некоторый центр притяжения.

5)Обладают свойством насыщения. Данный нуклон притягивает к себе лишь ограниченное число других нуклонов, на остальные либо вовсе не влияет, либо отталкивает.

6)Силы взаимодействия между двумя нуклонами зависят от ориентации спинов.

 

3. Энергия связи атомных ядер. Напишите выражение, дайте определение. Удельная энергия связи. Четно-четные ядра. Магические числа.

 

Опытным путём установлено, что масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, составляющих данное ядро.

Разность масс между суммой масс нуклонов и массой ядра характеризуется энергией связи ядра.

- энергия связи атомных ядер.

По смыслу, это минимальная энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, не сообщая им кинетической энергии. - дефекта массы.

Масса атома отличается от массы ядра на массу электронов (электронов и протонов одинаковое количество и равно Z).

- удельная энергия связи в атомных ядрах, это энергия которую надо затратить, чтобы удалить из ядра один нуклон, не сообщая ему кинетической энергии.

Четно-четные ядра - это ядра, у которых четное число протонов или нейтронов.

Удельная энергия связи имеет максимумы для ядер с числом протонов или нейтронов равным 2,8,20,28,50,82,126 - магические числа.

Наличие этих чисел свидетельствует об оболочечной структуре ядер.

 

4. Капельная и оболочечная модели атомного ядра.

 

Капельная модель

В этой модели ядро рассматривается как сферическая капля несжимаемой заряженной ядерной жидкости. Ядерные силы притяжения сжимают каплю подобно силам поверхностного натяжения жидкостей, стремясь придать ему сферическую форму, соответствующую минимуму энергии системы.

Оболочечная модель

Нуклоны в ядре располагаются по энергетическим оболочкам, подобно электронам я атоме. Нуклоны имеют полуцелый спин и являются фермионами, как и электроны. Следовательно, они должны подчиняться принципу Паули и иметь дискретный набор энергий. Известно, что атомы, у которых полностью заполнены электронами внешние оболочки, такие как инертные газы, более устойчивы и химически инертны. Аналогично, можно считать, что ядра с магическими числами нуклонов - обосо прочные.

 

5. Устойчивость атомных ядер. Как можно объяснить то, что с увеличением порядкового номера элемента число нейтронов в ядре также увеличивается? Нарисуйте примерный график числа нейтронов в зависимости от числа протонов в ядрах.

Для атомов с номерами 20 число протонов равно числу нейтронов, это стабильные ядра. Для более тяжёлых ядер число нейтронов становиться больше числа протонов. Это можно объяснить следующим образом. С увеличением числа протонов усиливаются силы их кулоновского отталкивания. Чтобы ядро было стабильным, требуется всё больше число нейтронов. Но когда число протонов достигает некоторого предела, увеличение сила нейтронов не помогает, т.к. силы отталкивания действуют по всему объёму, а ядерные силы притяжения – на очень малых расстояниях. Все ядра с номерами элементов 83 и массовыми числами >209 являются неустойчивыми и самопроизвольно превращаются в более стабильные путём испускания альфа- и бета-частиц.