какие силы обеспечивают устойчивость атомного ядра
Устойчивость ядра атома
Изучите строение атома, из чего состоит и устойчивость ядра атома. Читайте о процессе радиоактивного распада, активности радионуклидов, бета-распаде.
Устойчивость атома основывается на отношении и количестве протонов и нейтронов, передающих закрытые и заполненные квантовые оболочки.
Задача обучения
Основные пункты
Термины
Устойчивость атома основывается на взаимосвязи протонов и нейтронов, а также присутствует ли «магическое число» элементов, позволяющее создать замкнутые или заполненные квантовые оболочки. Последние отвечают энергетическим уровням в атомной модели оболочки. Заполненные создают удивительные стабильные условия для нуклида. Из 254 стабильных только 4 обладают нечетной характеристикой: водород-2 (дейтерий), литий-6, бор-10, азот-14.
Также есть лишь 4 естественных радиоактивных нечетных нуклида, где период полураспада длится миллиард лет: калий-40, ванадий-50, лантан-138, тантал-180m.
Многие из них не отличаются устойчивостью к бета-распаду, потому что продукты распада выступают четными и объединены сильнее эффектами ядерного спаривания.
Атомы с неустойчивым ядром обладают избыточным энергетическим запасом, используемым для повторного формирования частицы. В процессе радионуклид проходит сквозь радиоактивный распад, приводящий к появлению гамма-лучей и субатомных частиц, вроде альфа и бета.
Это одна из разновидностей радиоактивного распада. Атомное ядро выпускает альфа-частички и превращается в атом с массовым числом, меньшим на 4, и атомным числом, меньше на 2
Все элементы формируют ряд радионуклидов, хотя периоды полураспада у многих настолько незначительны, что их просто нельзя обнаружить в природе. Даже у наиболее легкого элемента, водорода, есть радиоизотоп – тритий.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА ( т / 2 время, в течение к-рого распадается половина всех атомов данного радиоактивного вещества. Характеризует степень устойчивости атомных ядер и меняется в широких пределах ( напр. [34]
Несмотря на огромное число уже известных изотопов ( около 1800), их запас далеко не исчерпан. Имеющиеся в литературе оценки позволяют предположить существование еще многих сотен пока не известных изотопов с недостатком или с избытком нейтронов. Обнаружение и изучение свойств этих изотопов и установление границ устойчивости атомных ядер представляется одной из важнейших задач ядерной физики и Я. [36]
Разность между массами ядра и нуклонов называют дефектом массы. Например, масса изотопа гелия равна 4 0015 а.е.м. ( атомных единиц массы), в то время как сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 4 0319 а.е.м., соответственно дефект массы равен 0 0304 а.е.м. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. [37]
Разность между массами ядра и нуклонов называют дефектом массы. Например, масса изотопа гелия равна 4 0015 атомных единиц массы ( а.е. м), в то время как сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 4 0319 а.е.м., соответственно дефект массы равен 0 0304 а.е.м. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. [38]
Разность между массами ядра и нуклонов называется дефектом массы. Например, масса изотопа гелия равна 4 0015 атомной единице массы ( а. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. [39]
Большое практическое значение имеют и многие искусственно получаемые радиоактивные изотопы. Поэтому в наши дни важнейшей характеристикой химического элемента являются не только химические свойства, определяемые строением электронной оболочки атома, но и свойства атомного ядра, прежде всего его стабильность. Современная химия решает задачи, связанные с выделением и очисткой отдельных изотопов, как стабильных, так и радиоактивных, их практическим использованием, например при работе АЭС. От строения и устойчивости атомного ядра изотопов того или иного химического элемента зависит его распространенность, влияющая на распределение элемента в земной коре и на земном шаре, сочетание элементов друг с другом в минералах и месторождениях. [40]
Какие силы обеспечивают устойчивость атомного ядра
Масса и энергия
Устойчивость ядра атома. Сильное взаимодействие
Из ядерной модели строения атома, предложенной в 1911 году Резерфордом, возникла ещё одна проблема – объяснение устойчивости ядра атома. Поскольку ядерные частицы – протоны и нейтроны прочно удерживаются в ядрах, между ними должны действовать силы притяжения. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным силам взаимного электростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра атома. Кандидатов для таких сил притяжения из известных не нашлось. И тогда ввели понятие сильного взаимодействия, которое действует только на расстоянии порядка размера ядра. Что нам скажет об этом общепринятая теория?
«Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на расстояниях
Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеет одинаковую величину. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.
Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжёлого водорода дейтрон (или дейтон) только в том случае, если их спины параллельны друг другу.
Ядерные силы не являются центральными. Их нельзя представлять направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Нецентральность ядерных сил вытекает, в частности, из того факта, что они зависят от ориентации спинов нуклонов.
Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растёт, а остаётся примерно постоянной. Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает также пропорциональность объёма ядра числу образующих его нуклонов.
По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов…
В 1934 году И.Е.Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передаётся посредством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино.
В 1935 году японский физик Х.Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природе существует пока не обнаруженные частицы с массой, в 200-300 раз большей массы электрона, и что эти-то частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжёлыми фотонами. В связи с тем, что по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впоследствии были названы мезонами (греческое «мезос» означает средний)». (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 3 стр.235-238 «Наука» 1979г.)
Итак, не найдя объяснения устойчивости ядра атома, с помощью известных сил и взаимодействий, ввели новый вид взаимодействия – сильное поле. По сравнению с известными на то время полями – гравитационным, электрическим, магнитным – сильное взаимодействие обладает удивительным набором свойств. Переносчиками сильного взаимодействия считаются виртуальные мезоны. Опять виртуальные частицы! Вспомним, что «в квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. В этом смысле виртуальные частицы можно назвать воображаемыми».
А если посмотреть на устойчивость ядра атома, с точки зрения нашего предположения? Существует одна любопытная возможность. Если в момент возникновения ядра атома, протоны и нейтроны потеряют часть своей кинетической энергии, например, в виде фотонов, то какой бы большой не была сила электрического отталкивания между протонами, разлететься в разные стороны они не смогут, так как силы электрического поля могут вызвать лишь перераспределение энергии между потенциальной и кинетической её формами. Добавить энергию электрическое поле не может. Эта энергия должна поступить извне. А до этого ядро атома устойчиво. В таком случае необходимость сильного взаимодействия вообще отпадает. Виртуальные мезоны соответственно тоже не нужны. Наше предположение хорошо согласуется с явлением дефекта массы. Как на дефект массы смотрит общепринятая теория?
«Масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Она равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом». (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 3 стр.231 «Наука» 1979г.)
Внутри атомного ядра: сильное и слабое
Читавшие статью про устройство атомов в «Квантике» № 11 за 2018 год знают, что любое вещество состоит всего из трёх типов элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — тяжёлые, гораздо тяжелее электронов. Они образуют ядра атомов, а электроны летают вокруг этих ядер, совсем улететь им не даёт электрическое притяжение протонов: протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный, и все частицы с зарядами одного знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами разных знаков — притягиваются.
Задача 1
Размер атома в этой модели (10 −10 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 5 мм = 100 м. Размер вируса (10 −7 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 8 мм = 100 км.
Эти «сильные силы» действительно очень велики, иначе ядра не удерживались бы и разваливались. Ведь протоны в них все «отпихиваются» друг от друга электрическими силами. К тому же нуклоны в ядре не стоят на месте, а быстро движутся. Попробуйте втроём-вчетвером взяться за руки и начать беспорядочно прыгать и метаться туда-сюда. Удержать друг друга и не расцепить руки будет гораздо сложнее, чем если бы все спокойно водили хоровод.
Радиоактивность
И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется распад ядра, или радиоактивный распад, а элементы, или изотопы (помните, что это?), которые норовят распасться, называются радиоактивными. В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Разве что по ядру очень сильно стукнет, например, ещё один протон или нейтрон (это будет вынужденный распад). Они такие стабильные потому, что в них правильное соотношение протонов и нейтронов: у лёгких ядер — протонов и нейтронов примерно поровну, а у тяжёлых — нейтронов чуть больше; чем тяжелее ядро, тем больше доля нейтронов (проверьте по таблице Менделеева). Но ядру вредно быть очень толстым: если протонов в нём совсем много (больше 82), то устойчивой конфигурации уже нет: сколько нейтронов ни клади, ядро развалится.
Если соотношение протонов и нейтронов «неудачное», ядро рано или поздно распадётся. Некоторые, правда, могут перед этим прожить многие миллиарды лет, а другие не проживут и долю секунды. Ядро может развалиться на пару ядер поустойчивей и полегче, но чаще всего от него просто откалывается небольшой кусочек — обычно два протона и два нейтрона, то есть как раз ядро атома гелия. Ядро гелия \(<>^<4>_<2>\mathrm
Здесь ядро урана превращается в ядро тория.
Задача 2
Вспомните, что значат числа, стоящие возле символа элемента, и проверьте, что ни один протон или нейтрон в этом процессе не пострадал.
Вверху слева — массовое число, то есть число нуклонов (протоны + нейтроны) в ядре, внизу слева — заряд ядра, то есть число протонов.