physics_saveliev_3 (535941), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Свое название «курчатовий» 104сй элемент получил в честь выдающегося советского физика И. В. Курчатова. Для устойчивых ядер характерно определенное отношение числа нейтронов А! к числу протонов Е. У легких ядер это отношение близко к единице. По мере увеличения числа нуклонов в ядре АЧЯ растет, достигая для урана значения 1,6 (см.
рнс. 248, на котором по оси абсцисс отложено массовое число А, по оси ординат— отношение Ф к Л; точки на рисунке соответствуют отдельным стабильным ядрам) . Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен '(м Поэтому согласно квантовым законам сложения моментов квантовое число спина ядра ( будет полуцелым при нечетном числе нуклонон А и целым или нулем при четном А. Спины ядер ( не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипарал,чельно.
У всех четно-четных ') ядер (т. е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю. Результирующий момент ядра Мт складывается с моментом электронной оболочки Мз в полный момент импульса атома Меч который определяетсн квантовым числом Г, С механическими моментами связаны мапштные моменты. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому что состояния атома соответствующие различным взаимным ориентациям М, и М, (т. е. различным Е), имеют немного отличающуюся энергию. Взаимодействием моментов рв и рн обусловливается ~онкая структура спектров (см. 5?2).
Взаимодействием )вг и )ез определяется с в е р х т о н к а я с т р у к т у р а атомных спектров. Расщепление спектральных ливий, соответствугощее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может наблюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы. ф 88. Масса и энергия связи ядра Масса ядра птв всегда меньше суммы масс входящих в него частиц').
Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Энергия связи Е„равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ') ядра с нечетными Л н Хг называются нечетно-нечетнымп, ядра, у которых одно из чисел, У и М четное, а другое нечетное, называготся четно-нечетными. е) Имеготся в виду массы поноя, 433 ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, прн которых они практически не взаимодействуют друг с другом. Таким образом, энергия ядра меньше энергии системы невзаимодействующих нуклонов па величину, равную Е, . Согласно закону взаимосвязи массы и энергии [см.
(42.9)) уменьшение энергии тела на 6 /Ф, Юю 0 60 АУ 60 60 100 160 Щ7 160 160200660 л' Ряс 249. ЛЕ должно сопровождаться эквивалентным уменьшением массы тела на Лт = ЛЕ1с'. Следовательно, энергия связи нуклонов в ядре равна: Е„=сз(Ят +(Л вЂ” 2)т ) — т„). (88.1) Это соотношение практически не нарушится, если заменить массу протона т„ массой атома водорода тн, а массу ядра т„ — массой атома т, Действительно, если пренебречь сравнительно ничтожной энергией связи электронов с ядрами, указанная замена будет означать добавление к уменьшаемому и вычитаемому выражения, стоящего в фигурных скобках, одинаковой величины, равной Ят„, Итак, выражению (88.1) можно придать вид: Е„= с'Илт„+ (А — Я) т„) — т,).
(88.2) Последнее соотношение удобнее, чем (88.1), потому что в таблицах даются обычно не массы ядер, а массы атомов. Найдем энергию связи нуклонов в ядре,Не', в состав которого входят два протона (2 =- 2) и два нейтрона (А — Х = 2). Масса атома зНе' равна 4,00250 а. е. м., чему соответствует 3728,0 Мэв. Масса атома водорода хН' равна 1,00815 а. е.
м. [938,7 Мэв; ср. с (87.1)). )У(асса нейтрона равна значению (87.4). Подставляя этн величины в формулу (88.2), получим Еса= [2 938 7+ 2 939 5) — 3728,0 = 28,4 Мэз. В расчете на один нуклон энергия связи ядра гелия составляет 7,1 Мэв'), Для сравнения укажем, что энергия связи валентных электронов в атомах имеет величину в !0з раз меньшую (порядка 10 эв). Для других ядер удельная энергия связи, т. е.
энергия связи, прихо. дящаяся на один нукдои (Е. !А), имеет примерно такую же величину, как у гелия. На рнс. 249 изображен график, показывающий зависимость Еез7А от массового числа А. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовымн чнсламн порядка 50 — 60 (т. е. для элементов от Сг до Хп). Энергия связи для этих ядер достигает 8,7 Мэа/нуклон. С ростом А удельная энергия связи постепенно уменьшается; для самого тяжелого природного элемента — урана она составляет '7,5 Мзв1нуклон, Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает энергетически возможными два процесса: 1) деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер и 2) слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.
Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Так, например, деление одного ядра с массовым числом А = 240 (удельная энергия связи равна 7,5 Мэв) на два ядра с массовыми числами А =120 (удельная энергия связи равна 8,5 Мэв) привело бы к высвобождению энергии в 240 Мзв. Слияние ') Для харзктервстнки связи нуклонов в ядре пользуются также величияамн, называемыми дефектом масс и упаковочным коэффициентом. )1ефектом масс б называется разность между численным значением массы атома, выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом: б = тд — А. Упаковочным коэффициентом 1 называют отношение дефекта масс к массовом числ у у А' Для зНе' имееы: б = 0,00260, 1 0,00000.
двух ядер тяжелого водорода ~Нз в ядро гелия зНе' привело бы к выделению энергии, равной — 24 Мэв. Для сравнения укажем, что при соединении одного атома углерода с двумя атомами кислорода (сгорание угля до СОа) выделяется энергия, равная — 5 эв. В связи с тем, что ядра с А — 50 — 60 являются энергетически наиболее выгодными, возникает вопрос: почему ядра с иными значениями А оказываются стабильными? Ответ заключается в следующем. Для того чтобы разделиться на несколько частей, тяжелое ядро должно пройти через ряд промежуточных состояний, энергия которых превышает энергию основного состояния ядра.
Следовательно, для процесса деления ядру требуется дополнительная энергия (энергия активации), которая затем возвращается обратно, приплюсовываясь к энергии, выделяющейся при делении за счет изменения энергии связи. В обычных условиях ядру неоткуда взять энергию активации, вследствие чего тяжелые ядра не претерпевают спонтанного деления. Энергия активации может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Процесс деления ядер урана или плутония под действием захватываемых ядрами нейтронов лежит в основе действия ядерных реакторов и обычной атомной бомбы. Что касается легких ядер, то для слияния их в одно ядро они должны подойти друг к другу на весьма близкое расстояние ( 1О-м см). Такому сближению ядер препятствует кулоновское отталкивание между ними.
Для того чтобы преодолеть это отталкивание, ядра должны двигаться с огромными скоростями, соответствующими температурам порядка нескольких сот миллионов градусов. По этой причине процесс синтеза легких ядер называется те р м о ядер ной р е а к ц и е й. Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд. В земных условиях пока были осуществлены неуправляемгяе термоядерные реакции при взрывах водородных бомб.
в 89. Природа ядерных сил Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на рас- 441 стояниях — 1О м см друг от друга, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами.
Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим отличительные особенности этих сил. 1. Ядерные силы являются короткодействующими— при расстояниях между нуклонами, превышающих примерно 2 !Огм см, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших 1.1О" см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием. 2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов.
Ядерные силы, действующие между двумя протонамн, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, одинаковы по величине. Это свойство называется. з а р ядовой неза в и с и постыл ядерных сил. 3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спиноз взаимодействующих нуклоиов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя дейтон, только в том случае, когда их спины параллельны друг другу. 4. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Это свойство вытекает нз того фанта, что энергия связи, приходящаяся на один нуклон, примерно одинакова для всех ядер, начиная с,Не'.
Кроме того, на насыщение ядерных снл указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов 1см, формулу (87.6) ]. По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов. Для того чтобы уяснить сущность этого процесса, рассмотрим прежде, как выглядит кулоновское взаимодействие с точки зрения квантовой электродинамики. Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле.
й(ы знаем, что это поле может быть представлено как совокупность квантов энергии — фотонов. Согласно представлениям квантовой электродинамики процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например электронами, заключается в обмене фотонами. Каждая ча- стица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испущенных первой частицей.
Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осугцествляется взаимодействие, являются не обычными реальнымн фотонами, а вирту ал ьн ы ми. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнару>кены за время их существования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
