енергія ядра
Ядра складаються з протонів і нейтронів.
Число протонів Z дорівнює порядковому номеру елемента, сума Z і числа нейтронів N це масове число (число нуклонів) A = Z + N. Масове число збігається з округленим до цілого числа значенням його атомної маси.
Атомна маса ізотопу неточно дорівнює сумі мас вільних нуклонів і електронів, так як маса частково втрачається разом з енергією, що звільняється при утворенні ядра.
Це - дефект мас.
Розміри атомного ядра з достатнім ступенем точності визначається експериментально. Якщо, в першому наближенні, ядро вважати сферичним, то його радіус
де r0 = (1,2-1,5) * 10 -11 м.
Обсяг ядра складає (7-10) * 10 -33 м 3. а його щільність незначно залежить від порядкового номера і становить (1,2-2,4) * 10 11 Кг / см 3.
Форма багатьох ядер відрізняється від сферичної (що знаходяться в кінці таблиці) і злегка плескаті. Ядро не має чітко виражених кордонів, щільність речовини поблизу падає асимптотично. Щільність електричного заряду падає до нуля в межах шару завтовшки близько 10 -13 см.
Ядро заповнене нуклонами (протонами і нейтронами) і якщо зіставити розмір нуклона з розміром атомного ядра, то бачимо що для руху нуклонів в ядрі є багато місця.
Нуклони в ядрі, з одного боку, рухаються по орбітах, а з іншого - володіють власним моментом кількості руху (обертаються навколо осі) - спіном.
Таким чином в динаміці система нуклонів може бути подібна системі електронів в атомі.
Нуклони в атомних ядрах, незважаючи на на відштовхування позитивно заряджених протонів один від одного, пов'язані між собою ядерними силами.
Ці сили, на відстанях відповідних відстаней між нуклонами в ядрі, перевищують Кулонівські сили між однойменними зарядами. Ці сили зникають при відстанях між нуклонами більше 10 -13 см.
Ядерні сили - сили малого радіусу дії.
Сила тяжіння між нуклонами (протонами і нейтронами в будь-якій комбінації) точно рівні.
Кулонівські сили відштовхування між протонами обернено пропорційні квадрату відстані, а ядерні сили тяжіння падають з відстанню багато швидше.
Ядерні сили в ядрі (на звичайних відстанях) приблизно в 10 разів перевищують електростатичні сили і приблизно в 10 37 раз гравітаційні.
енергія зв'язку
Ми можемо визначити енергію необхідну для розкладання атомних ядер на нуклони, яка дорівнює енергії, що звільняється при виникненні ядра з нуклонів. Її можна обчислити з маси ядер.
Остання завжди менше суми мас вільних нуклонів, що складають атомне ядро.
Коли ядро утворюється з нуклонів, разом з енергією зменшується і маса:
# 916; m - дефект мас, по якому можна розрахувати енергію, що звільняється при з'єднанні нуклонів в ядро. Це енергія зв'язку, яка представляє собою міру сил пов'язують атомне ядро.
енергія зв'язку зростає з числом нуклонів в ядрі або з масовим числом A, зростає і дефект мас # 916; m.
Це уявлення є досить умовним, оскільки енергія зв'язку різна для ядер різної маси (з різним атомним номером) істотно відрізняється, наприклад у ядра (2 H) це близько 2,5 МеВ, а у ядра 238 (238 U) - 1800 МеВ. Це означає ядро 2 H виділяє енергії в 700 разів меншою ніж ядро 238 U для їх злиття в ядро їх нуклонів. Відповідно і при стисканні еквівалентному енергії 1000 МеВ речовина буде містити нуклони і ядра з атомним номером більше приблизно 130.
У той же час існує ймовірність об'єднання вільних нуклонів в ядра з масовим числом більше 130.
Як характеристик пов'язаності ядра зручніше використовувати питому енергію зв'язку на нуклон
З рівності видно скільки енергії на нуклон потрібно для розщеплення ядра або звільниться під час його утворення.
Розглянемо на прикладі ядра гелію 4 He, що складається з двох нейтронів і двох протонів.
Атомна маса 4 He становить 4,00386.
При утворенні атома гелію виникає дефект мас:
# 916; m = 2 * 1,00813 + 2 * 1,00898 - 4,00386 = 0,03036 а.е.м
Це відповідає 28,3 МеВ або 4,52 * 10 -12 Дж і енергії зв'язку ядра гелію (енергія освіти). Енергія зв'язку на один нуклон дорівнює 7,07 МеВ.
Відомий графік питомої енергії зв'язку:
Рис.1 Питома енергія зв'язку # 948; E св - енергія в ядрі, яка припадає на один нуклон.
У першому наближенні, можна сказати, на початковій ділянці (для легких ядер) одночасно зі зростанням масового числа A швидко зростає енергія зв'язку в ядрі. Це відбувається тому, що має місце одночасне зростання кількості нуклонів в ядрі і питомої енергії зв'язку # 948; Eсв припадає на один нуклон.
Заглянемо за «поворот»
Найбільш стабільні і мають багато ізотопів елементи у яких число протонів або нейтронів рівні 2, 8, 20, 50, 82, 126, 184. Ймовірно, ці «магічні числа» відповідають ядерним станів в яких нуклонні оболонки (шари) виявляються завершеними. Подібно до того, як на інертних газах - елементах з порядковим номером 2, 10, 18, 36, 54, 86 завершується побудова нової оболонки електронів.
Теоретики ядерної фізики прогнозують можливість існування стабільних ізотопів з масовим числом більше 270 (номер Z> 110). Тобто ядра з магічним числом нейтронів N = 184 або мають заповнену оболонку.
Такі острівці стійкості можливі і при Z> 126, але існує загальна тенденція зі зниженням стійкості ядер з ростом A.
Графік рис. 1 в іншій формі зображений на малюнку 2.
Спробуємо розглянути, що відбувається за межами графіків рис 1 і 2.
Не дивлячись на деяку невідомість за межами масових чисел більше 266, нам нічого не заважає спробувати продовжити графік в область великих масових чисел. Тим більше, що відомо принципо ве зниження # 948; E св в ядрі, через зростання взаємного відштовхування протонів і зростаючої «пухкості» (зниження щільності) ядра. І навіть якщо ми побудуємо графік з великою похибкою (адже зона не досліджена) все одно ми можемо уявити тенденції характеристик цієї зони. Результати інтерполяції показані на рис. 3.
Спільно з рис. 3 розглянемо і рис. 4, де показано значення сумарної енергії в ядрі.
Графік енергії укладеної в ядрі:
З рис. 4 бачимо, що у якійсь точці (A> 500-600) припиняється ріст енергії в ядрі не дивлячись на зростання числа нуклонів. Це процес пояснюється падінням Eсв.уд. для нуклонів в великих ядрах. Вона падає настільки що ядра стають «пухкими» і нестійкими. При слабких зв'язках необхідна невелика зовнішній вплив для руйнування такого ядра.
Час життя елементів з Z> 110, як вже говорилося вище. навіть на острівцях стабільності, незначно за мірками існування Землі. Тому в геології Землі цих елементів не існує.
Але вони можуть існувати в умовах синтезу ядер (елементів) з нуклонів і деякий час (визначається індивідуальним періодом напіврозпаду ізотопів або часом життя елемента) після синтезу на відстані дрейфу (дифузії) від зони синтезу.
При штучному створенні вони можуть ідентифікуватися в мішенях.
1 а.е.м. = 932,2 МеВ = 1,49 * 10 -10 дж.