Основна информация за атомните ядра

Атомното ядро ​​е централната и много компактна част на атома, в която са концентрирани почти цялата му маса и целият положителен електрически заряд. Ядрото, задържащо електроните близо до себе си от кулоновските сили в количество, което компенсира положителния му заряд, образува неутрален атом. Повечето ядра имат форма, близка до сферична, и диаметър ≈ 10 -12 cm, което е с четири порядъка по-малко от диаметъра на атома (10 -8 cm). Плътността на материята в сърцевината е около 230 милиона тона/cm 3. За обозначаване на атомно ядро ​​се използва символът на химичния елемент на атома, който включва ядрото, а горният ляв индекс на този символ показва броя на нуклоните (масово число А) в това ядро, а левият индекс показва броят на протоните Z в него .

Ядрото е система от плътно натъпкани протони и неутрони, движещи се със скорост 10 9 -10 10 cm/sec и задържани от мощни и близки ядрени сили на взаимно привличане (зоната им на действие е ограничена от разстояния от ≈ 10 -13 см.) Протоните и неутроните имат размер около 10 - 13 см и се разглеждат като две различни състояния на една частица, наречена нуклон. Радиусът на ядрото може да бъде приблизително изчислен по формулата R ≈ (1.0-1.1) · 10 -13 A 1/3 cm, където A е броят на нуклоните (общият брой протони и неутрони) в ядрото.
Ядреното взаимодействие (взаимодействие между нуклоните в ядрото) възниква поради факта, че нуклоните обменят мезони. Това взаимодействие е проява на по-фундаментално силно взаимодействие между кварки, които изграждат нуклони и мезони (по същия начин, силите на химическата връзка в молекулите са проява на по-фундаментални електромагнитни сили).
Известни са около 3000 ядра, които се различават едно от друго или по броя на протоните, или по броя на неутроните, или и двете. Повечето от тях са изкуствено получени. Само 264 ядра са стабилни, т.е. не изпитват никакви спонтанни трансформации във времето, наречени разпадания. Останалите се подлагат на различни форми на разпад - алфа разпад (излъчване на алфа частица, т.е. ядрото на хелиев атом); бета разпад (едновременно излъчване на електрон и антинейтрино или позитрон и неутрино, както и поглъщане на атомен електрон с излъчване на неутрино); гама разпад (излъчване на фотон) и други.
Различните видове ядра често се наричат ​​нуклиди. Нуклидите с еднакъв брой протони и различен брой неутрони се наричат ​​изотопи. Нуклидите с еднакъв брой нуклони, но различни съотношения на протони и неутрони се наричат ​​изобари. Леките ядра съдържат приблизително еднакви количества протони и неутрони. В тежките ядра броят на неутроните е около 1,5 пъти повече от броя на протоните. Най-лекото ядро ​​е ядрото на водородния атом, което се състои от един протон. Най-тежките известни ядра (получени са изкуствено) имат брой нуклони ≈ 290. От тях 116-118 са протони.
Различните комбинации от броя на протоните Z и неутроните съответстват на различни атомни ядра. Атомните ядра съществуват (т.е. техният живот t> 10 -23 s) в доста тесен диапазон от промени в числата Z и N. В този случай всички атомни ядра са разделени на две големи групи - стабилни и радиоактивни (нестабилни). Стабилните ядра са групирани близо до линията на стабилност, която се определя от уравнението. Най-тежките стабилни изотопи са изотопите на оловото (Z = 82) и бисмута (Z = 83). Тежките ядра, заедно с процесите на β + и β - разпадане, също са обект на α-разпад (жълт цвят) и спонтанно делене, които се превръщат в основните им канали на разпадане. Когато се комбинират две леки ядра (синтез) и деление на тежко ядро ​​на два по-леки фрагмента, се отделя много енергия. Тези два метода за получаване на енергия са най-ефективните от всички известни. Така че 1 грам ядрено гориво се равнява на 10 тона химическо гориво. Ядреният синтез (термоядрени реакции) е източникът на енергия за звездите. Неконтролиран (експлозивен) синтез се получава, когато се детонира термоядрена (или така наречената „водородна“) бомба. Контролираният (бавен) синтез е в основата на обещаващия енергиен източник в процес на разработване - термоядрен реактор.

Неконтролирано (експлозивно) делене се получава, когато атомна бомба експлодира. Контролирано делене се извършва в ядрени реактори, които са източници на енергия в атомните електроцентрали.
За теоретичното описание на атомните ядра се използват квантовата механика и различни модели.
Ядрото може да се държи както като газ (квантов газ), така и като течност (квантова течност). Студената ядрена течност има свръхтечни свойства. В силно нагрято ядро ​​нуклоните се разпадат в съставните си кварки. Тези кварки си взаимодействат, като обменят глуони. В резултат на това разпадане, наборът от нуклони вътре в ядрото се трансформира в ново състояние на материята - кварк-глюон плазма

Ядрена маса и свързваща енергия.

Важна характеристика на атомните ядра е масата на ядрото. Масите на ядрата могат да бъдат получени чрез разглеждане на енергийния и импулсен баланс на частиците, участващи в ядрени реакции, както и при масспектрометрични експерименти.

Ядрената маса се измерва в атомни единици за маса (amu). За една атомна единица маса се взема 1/12 от масата на неутрален въглероден атом 12 С:

1 ч. Сутринта = 1,6606 10-27 кг.

А.У.М. изразено в енергийни единици:

1 amu m = 1,510-3 ерг = 1,510-10J = 931,49 MeV

Масата на ядрото винаги е по-малка от сумата от масите на съставните му нуклони. Излишната маса Δ е свързана с масата на атома Mat (A, Z) и масовото число A чрез съотношението:

Ядрените частици - протони и неутрони - са здраво задържани вътре в ядрото, поради което между тях действат много големи сили на привличане,­способни да издържат на огромните отблъскващи сили между­чрез заредени протони. Тези специални сили, които възникват на малки разстояния между нуклоните, се наричат ​​ядрени сили. Ядрените сили не са електростатични (Кулон).

Изследването на ядрото показа, че ядрените сили, действащи между нуклоните, имат следните характеристики:

а) това са сили с малък обсег на действие - проявяващи се на разстояния от порядъка на 10 -15 м и рязко намаляващи дори при леко увеличение на расите­стоящ;

б) ядрените сили не зависят от това дали частицата (нуклонът) има заряд - за­обикновена независимост на ядрените сили. Ядрените сили, действащи между неутрон и протон, между два неутрона, между два протона са равни. Протонът и неутронът са еднакви по отношение на ядрените сили.

Енергията на свързване е мярка за стабилността на атомното ядро. Енергията на свързване на ядрото е минималната енергия, необходима за разделяне на ядрото на съставните му нуклони (протони и неутрони). Ядрото е система от свързани нуклони, състояща се от Z протони (масата на протон в свободно състояние mp) и N неутрони (масата на неутрон в свободно състояние mn). За да разделите ядрото на сложни нуклони, трябва да похарчите определена минимална енергия W, наречена свързваща енергия. В този случай покоящото се ядро ​​с маса М преминава в набор от свободно почиващи протони и неутрони с обща маса Zmp + Nmn. Енергията на ядрото в покой е Mc 2. Енергията на освободените нуклеони в покой (Zmp + Nmn) s 2. В съответствие със закона за запазване на енергията Мс 2 + W = (Zmp + Nmn) с 2. Или W = (Zmp + Nmn) s 2 - Ms 2. Тъй като W> 0, тогава M -13 J). За да се разкъса химическа връзка, енергията е необходима 10 6 пъти по-малко.