2.Ядерні сили та енергія зв'язку атомних ядер

Нуклони в ядрі атома утримуються завдяки ядерним силам, які є проявом однієї з чотирьох фундаментальних взаємодій — сильної взаємодії. За своєю природою вони короткодіючі (г~ 10^-15 м), але дуже інтенсивні. У межах атомного ядра вони майже у 100 разів переважають сили електростатичної взаємодії двох протонів і в 1038 разів — силу їхньої гравітаційної взаємодії. Проте на відстанях, більших за розміри ядер, вони настільки малі, що їхньою дією можна знехтувати.

Ядерні сили діють незалежно від наявності в нуклонах електричного заряду. Внаслідок цього в атомному ядрі утримуються електронейтральні нейтрони і не розлітаються однойменно заряджені протони. Експериментальні дослідження сил ядерної взаємодії протон-протонних, протон-нейтронних і нейтрон-нейтронних пар показали, що в усіх випадках вони однакові і не залежать від типу нуклона.

Ядерні сили — короткодіючі, оскільки проявляють себе на відстанях у межах атомного ядра (10^-15 м).

Обмінний характер ядерної взаємодії подібний до ковалентного зв'язку між атомами в молекулі, де роль такого «посередника» відіграють валентні електрони.

У 1935 р. японський фізик X. Юкава висунув припущення, що природа ядерних сил полягає в їхньому обмінному характері, тобто, за його передбаченням, наявність ядерних сил зумовлює гіпотетична частинка ненульової маси, якою обмінюються між собою нуклони під час взаємодії.

Пізніше, у 1947 р. така частинка була експериментально виявлена і названа π-мезоном. Встановлено, що залежно від типу взаємодіючої пари нуклонів (протон—протон, нейтрон—нейтрон, протон—нейтрон, нейтрон—протон) існує три види π-мезонів: позитивний (π⁺), негативний (π^-) і нейтральний (π⁰). Перші два мають масу спокою, яка дорівнює 274 масам електрона те, що відповідає приблизно 140 МеВ; маса спокою третього дорівнює 264 те, що відповідає приблизно 135 МеВ.

π-мезони не входять до складу протонів і нейтронів. Вони лише виявляють себе в ядерній взаємодії як обмінні частинки, завдяки яким відбувається сильна взаємодія в атомному ядрі. Ця взаємодія є чинником об'єднання нуклонів у стабільне атомне ядро. Зв 'язаний стан нуклонів у ядрі характеризується енергією зв'язку, яка витрачається на те, щоб утримувати протони і нейтрони у такому стані. Тобто це енергія, потрібна для виконання роботи проти дії ядерних сил, що утримують нуклони в ядрі у зв'язаному стані.

Якщо порівняти масу атомних ядер із сумою мас нуклонів, які їх складають, то з'ясується, що вони не збігаються: маса ядра завжди менша за масу її складових. Тому кажуть, що існує дефект мас Δm, який визначається різницею суми мас Z протонів і N нейтронів та маси ядра m_я:

π-мезони — це кванти ядерного поля, подібні до фотонів, які є квантами електромагнітного поля. π-мезони інколи називають піонами.

Енергія зв'язку ядра атома — це та мінімальна енергія, яку треба затратити, щоб роз'єднати ядро на окремі нуклони, що входять до його складу.

Точні вимірювання мас атомних ядер показали, що m_я < Zm_р + Nm_п .

Причина виникнення дефекту мас полягає в тому, що для утворення ядра з вільних протонів і нейтронів потрібно виконати роботу, яка чисельно дорівнює енергії зв'язку. Отже, дефект мас визначає енергію зв'язку ядра. Взявши до уваги формулу взаємозв'язку маси та енергії, отримаємо:

Природно, що енергія зв'язку різних ядер може бути різною. Проте якщо віднести її до числа нуклонів, то спостерігається певна іалежність питомої енергії зв'язку нуклона в ядрі від масового числа атома А (мал. 8.1).

Розглянемо графік такої залежності. Спочатку крива різко зростає і досягає максимуму  в ізотопів елементів з нуклон масовим числом від 50 до 60 (Ферум і близькі до нього елементи). Відношення  називається питомою енергією зв'язку .

У міру подальшого збільшення масового числа атома крива починає плавно спадати, посягаючи значення  в Урану ²³⁸₉₂U. Такий вигляд кривої зумовлений закономірностями забудови ядерних оболонок протонами і нейтронами. Проте оболонкова модель ядра неспроможна пояснити характер забудови всіх елементів. Зокрема, вона непридатна для важких елементів, де істотними стають електростатичні сили взаємодії протонів.

ЗАПИТАННЯ

1. Які відкриття дали поштовх розвитку ядерної фізики?

2. Дайте стислу характеристику протона і нейтрона. Чим вони різняться між собою?

3. Що таке ізотопи?

4. Що таке нуклон? Як визначити число протонів і нейтронів у ядрі атома за допомогою таблиці Менделєєва?

5. Наведіть опис оболонкової моделі ядра атома.

6. У чому полягає суть принципу Паулі?

7. Схарактеризуйте ядерні сили. Які пари нуклонів можуть брати участь у сильній взаємодії?

8. Які види фундаментальних взаємодій виявляються в атомному ядрі? Який внесок кожної з них?

9. Яка природа ядерних сил? Що є квантом сильної взаємодії?

10. Чому виникає дефект мас? Чим це можна пояснити?

11. Яка залежність питомої енергії зв'язку нуклонів у ядрі атома від масового числа в природі?