Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 44. Атомне ядро. Ядерні сили. Енергія зв'язку атомних ядер

У 1932 р. сталася дуже важлива для всієї ядерної фізики подія. Учень Резерфорда, англійський фізик Джеймс Чедвік (1891-1984), відкрив нову частинку — нейтрон. Під час бомбардування α-частинками берилію протони не виникали. Але було виявлено промені, які здатні проникати через свинцеву пластинку завтовшки 10-20 см. Учені припустили, що це γ-промені, які мають велику енергію.

Ірен Жоліо-Кюрі

Ірен Жоліо-Кюрі (1897-1956) та Фредерік Жоліо-Кюрі (1900-1958) виявили, що коли на шляху випромінювання берилію поставити парафінову пластинку, то йонізуюча здатність цього випромінювання різко зростає. Учені припустили, що випромінювання берилію вибиває з парафінової пластинки протони, яких багато в парафіні — речовині, що містить водень. За допомогою камери Вільсона (схему досліду наведено на мал. 3.20) подружжя Жоліо-Кюрі виявило ці протони і за довжиною пробігу оцінило їхню енергію. Якщо припустити, що протони прискорювалися внаслідок зіткнень з γ-квантами, то енергія цих квантів має бути величезною — близько 55 МеВ.

Мал. 3.20

Чедвік спостерігав у камері Вільсона треки ядер Нітрогену, що зазнавали зіткнень з випромінюванням берилію. За його оцінкою енергія γ-квантів, здатних надати ядрам швидкість, мала б дорівнювати 90 МеВ. Подібні спостереження в камері Вільсона треків ядер Аргону привели до висновку, що енергія зазначених гіпотетичних γ-квантів має бути 150 МеВ. Припускаючи, що ядра починають рухатися внаслідок зіткнень із частинками, які не мають маси спокою, дослідники помітили явні суперечності: одним і тим самим γ-квантам доводилося приписувати різну енергію.

Отже, припущення про випромінювання берилієм γ-квантів, які не мають маси спокою, не обґрунтоване. Під дією α-частинок з берилію вилітають якісь досить важкі частинки, бо лише від зіткнення з важкими частинками протони або ядра Нітрогену й Аргону могли набути такої величезної енергії, яка спостерігалася. Оскільки ці частинки мали велику проникну здатність і безпосередньо не йонізували газ, то, очевидно, вони були електрично нейтральні. Адже заряджена частинка сильно взаємодіє з речовиною і тому швидко втрачає свою енергію.

Нову частинку назвали нейтроном. Її існування передбачав Резерфорд більш ніж за 10 років до дослідів Чедвіка. За енергією та імпульсом ядер, що стикаються з нейтронами, визначили масу нейтрона. Виявилося, що вона трохи більша від маси протона — 1838,6 електронних мас проти 1836,1 для протона.

Через потрапляння α-частинок в ядра Берилію відбувається така реакція:

Заряд нейтрона дорівнює нулю, а відносна маса — приблизно одиниці.

Після відкриття нейтрона фізики Дмитро Іваненко (1904-1994) і Вернер Гейзенберг (1901-1976) у 1932 р. запропонували протонно-нейтронну модель ядра, згідно з якою ядра атомів складаються з елементарних частинок двох видів: протонів і нейтронів.

Кількість протонів в ядрі дорівнює кількості електронів в атомній оболонці, тому що в цілому атом нейтральний. Отже, кількість протонів у ядрі дорівнює атомному номеру елемента Z у Періодичній таблиці елементів Д. І. Менделєєва.

Масовим числом A називають суму числа протонів Z і числа нейтронів N у ядрі: A = Z + N.

Маси протона і нейтрона близькі між собою, і кожна з них приблизно дорівнює атомній одиниці маси. Маса електрона в атомі значно менша від маси ядра. Тому масове число ядра дорівнює округленій до цілого числа відносній атомній масі елемента. Масові числа можна визначити грубим вимірюванням мас ядер навіть не дуже точними приладами.

Ізотопи — це ядра з однаковим значенням Z, але з різними масовими числами А, тобто з різною кількістю нейтронів N.

Оскільки ядра досить стійкі, то протони і нейтрони мають триматися в ядрі якимись силами, причому дуже великими. Що це за сили? Завчасно можна сказати, що це не гравітаційні сили, які занадто слабкі. Стійкість ядра не можна пояснити також електромагнітними силами, тому що між однойменно зарядженими протонами діє електричне відштовхування, а нейтрони не мають електричного заряду.

Отже, між ядерними частинками — протонами і нейтронами (нуклонами) — діють особливі сили — ядерні сили. Вони приблизно в 100 разів більші від електромагнітних та найпотужніші з усіх сил, що є в природі. Тому взаємодію ядерних частинок часто називають сильною взаємодією. Причому сильна взаємодія не зводиться лише до взаємодії нуклонів у ядрі. Це особливий вид взаємодії, властивий багатьом елементарним частинкам разом з електромагнітною взаємодією. Ядерні сили — короткодіючі. Електромагнітні сили порівняно повільно зменшуються з відстанню.

Дуже важливу роль в усій ядерній фізиці відіграє поняття — енергія зв’язку ядра. Під енергією зв’язку ядра розуміють ту енергію, яка потрібна для повного розщеплення ядра на окремі нуклони. Спираючись на закон збереження енергії, можна також стверджувати, що енергія зв’язку дорівнює тій енергії, яка виділяється під час утворення ядра з окремих частинок. Енергія зв’язку атомних ядер дуже велика. Але як її визначити?

Зробити відповідні розрахунки можна, лише застосувавши співвідношення Ейнштейна між масою і енергією: E = mc². Точні вимірювання мас ядер показують, що маса спокою ядра М_я завжди менша від суми мас спокою його протонів і нейтронів:

М_я < Zm_п + Nm_н.

Існує так званий дефект мас: Μ = Zm_п + Nm_н - М_я, різниця мас додатна. Зокрема, для Гелію маса ядра на 0,75 % менша від суми мас двох протонів і двох нейтронів. Отже, для одного моля Гелію ΔΜ = 0,03 г. Зменшення маси під час утворення ядра із частинок означає, що при цьому зменшується енергія цієї системи частинок на значення енергії зв’язку Е_зв:

Е_зв = ΔMc² = (Zm_п + Nm_н - M)c².

Але куди при цьому зникає енергія Е_зв і маса ΔΜ?

Під час утворення ядра із частинок вони під дією ядерних сил на малих відстанях прямують одна до одної з величезним прискоренням. Випромінювані при цьому γ-кванти мають енергію Е_зв і масу:

Про значення енергії зв’язку можна судити з такого прикладу: під час утворення 4 г гелію виділяється стільки само енергії, як від згоряння 1,5-2 вагонів кам’яного вугілля.

Важливу інформацію про властивості ядер дає експериментально виміряна залежність питомої енергії зв’язку, тобто енергії зв’язку, що припадає на один нуклон, від масового числа A.

З малюнка 3.21 добре видно, що якщо не брати до уваги найлегші ядра, то питома енергія зв’язку приблизно стала і дорівнює 8 МеВ/нуклон. Зазначимо, що енергія зв’язку електрона з ядром в атомі Гідрогену, яка дорівнює енергії йонізації, майже в мільйон разів менша. Крива на малюнку 3.21 має слабко виявлений максимум. Максимальну питому енергію зв’язку (8,6 МеВ/нуклон) мають елементи з масовим числом від 50 до 60, тобто залізо і близькі до нього за порядковим номером елементи. Ядра цих елементів найстійкіші.

Мал. 3.21

Зменшення питомої енергії зв’язку для легких елементів пояснюється поверхневими ефектами. Нуклони, які містяться на поверхні ядра, взаємодіють з меншою кількістю сусідів, ніж нуклони всередині ядра, оскільки ядерні сили короткодіючі. Тому енергія зв’язку нуклонів на поверхні менша, ніж у нуклонів усередині ядра. Що менше ядро, то більша частина загальної кількості нуклонів виявляється на поверхні. Через це енергія зв’язку в середньому на один нуклон менша в легких ядер.

У важких ядер питома енергія зв’язку зменшується внаслідок зростання із збільшенням Z кулонівської енергії відштовхування протонів. Кулонівські сили намагаються розірвати ядро.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що дало поштовх для створення протонно-нейтронної моделі ядра атома? Хто з учених до цього причетний?
• 2. Що таке нуклон?
• 3. Що таке енергія зв’язку атомних ядер? Як вона визначається?
• 4. Розгляньте графік залежності питомої енергії зв’язку від масового числа (мал. 3.21). Укажіть елементи, які мають питому енергію зв’язку 5-8 МеВ/нуклон.