Тема 17 Атомное ядро

Ядро – центральная часть атома, в котором сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра (нуклиды) состоят из нуклонов: протонов и нейтронов. Протон несёт положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Масса протона . Нейтрон не имеет заряда. Его масса примерно равна массе протона .

Заряд ядра равен сумме зарядов протонов, входящих в ядро и равен Ze, где Z – порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева, равный числу протонов в ядре. e – заряд протона.

Массовое число A – число нуклонов в ядре. Оно равно , где N – число нейтронов в ядре.

Изотопами называются ядра с одинаковым числом протонов Z, но разным числом нуклонов A.

Радиус ядра – величина, характеризующая размер ядра. Ввиду размытости границ ядра, радиус ядра имеет условный смысл. Радиус ядра можно рассчитать по формуле , где .

Ядро химического элемента с массовым числом A и зарядовым числом Z обозначается

или .

Например, из обозначения изотопа урана следует, что данный изотоп содержит 92 протона и нейтрона. Обозначение числа протонов в ядре не является обязательным, т.к. каждому химическому элементу соответствует определённое число протонов. Т.е. данный изотоп урана можно просто обозначить как .

Между нуклонами ядра существует особое ядерное сильное взаимодействие – притяжение – обеспечивающее устойчивость ядер и не дающее ядру распасться из-за сил кулоновского отталкивания между протонами.

Энергия связи ядра – физическая величина, равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклонов из ядра. Из закона сохранения энергии следует, что при образования ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться та же энергия, которую необходимо затратить на расщепление ядра на составляющие его нуклоны.

Эксперименты показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение суммарной массы нуклонов при образовании ядра можно объяснить выделением энергии связи. Как известно, между энергией E и массой m имеется известное соотношение .

Если обозначить через энергию, выделяющуюся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Δm будет равна

.

Она характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составных частиц.

Если ядро массы M образуется из из Z протонов и A-Z нейтронов, то

.

Энергия связи в этом случае будет равна

Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер неустойчивых изотопов одних элементов в ядра других элементов, сопровождаемое испусканием некоторых частиц.

Естественная радиоактивность – радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Число атомов радиоактивного вещества dN, распадающихся за время dt, пропорционально числу имеющихся атомов и определяется соотношением

, где λ – постоянная радиоактивного распада. Проинтегрировав данное выражение, получим основной закон радиоактивного распада

, где N₀ – начальное число атомов в момент времени t = 0, N – число атомов по истечении времени t. (!!! N – число оставшихся атомов, а не распавшихся!!!)

Характеристикой устойчивости ядер является период полураспада – время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества распадается наполовину. Период полураспада и постоянная радиоактивного распада связаны соотношением

.

Подставив данное выражение в основной закон радиоактивного распада получим

.