Группа ПК 2 Физика 03.11.2020. Тема 2. Строение атомного ядра. Энергия связи.
учебно-методический материал по физике

Ядерные силы

Резерфорд выдвинул гипотезу о том, что в состав любого атомного ядра входит ядро атома водорода. В 1919 году ему удалось доказать это: бомбардируя ядро атома азота альфа-частицами, Резерфорд получил первую искусственную ядерную реакцию, продуктами которой оказались ядра атомов кислорода и водорода. Впоследствии, подобные эксперименты были повторены для других атомных ядер, и каждый раз из атомного ядра выбивалось ядро атома водорода. Поэтому ядро атома водорода стали классифицировать как элементарную частицу — протон.

Очень скоро стало ясно, что ядра атомов не могут состоять только из протонов. В 1932 году ученик Резерфорда — Джеймс Чедвик доказал, что в состав атомного ядра входят электрически нейтральные частицы, масса которых приблизительно равна массе протона. Такую частицу называли нейтроном.

Ядерные силы- действуют между всеми нуклонами в ядре; - силы притяжения;
- короткодействующие.

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно непохожи ни на гравитационные, ни на электростатические. . Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра.
Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение - 1 Фм ( в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми. Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях.
Ядерные силы - сильные взаимодействия. Они многократно превосходят кулоновскую силу (на одинаковом расстоянии). Короткодействие ограничивает действие ядерных сил. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать.
Конечное число элементов в природе - следствие короткодействия ядерных сил.

Глоссарий по теме:

Протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Нейтрон – элементарная частица, не имеющая заряда.

Протонно-нейтронная модель ядра Гейзенберга-Иваненко: ядро любого атома состоит из положительно-заряжённых протонов и электронейтральных нейтронов.

Массовое число – сумма числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре.

Нуклоны – протоны и нейтроны в составе атомного ядра.

Изотопы – разновидность данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер, т. е. числом нейтронов.

Ядерные силы – это силы притяжения между нуклонами в ядре.

Дефект масс – разность масс нуклонов, составляющих ядро, и массы ядра

В 1919 году Резерфорд открыл протон при бомбардировке ядра атома азота α-частицами.

Это была первая ядерная реакция, проведённая человеком. Превращение одних атомных ядер в другие при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом называют ядерной реакцией.

Протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Свойства протона:

Нейтрон был открыт в 1932 г. Д. Чедвиком при облучении бериллия α-частицами. Нейтрон - элементарная частица, не имеющая заряда. Свободный нейтрон, который находится вне атомного ядра, живёт 15 минут. Потом он превращается в протон, испуская электрон и нейтрино – безмассовую нейтральную частицу.

В 1932 году советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Справедливость этой гипотезы была доказана экспериментально. Согласно этой модели ядра состоят из протонов и нейтронов. Так как атом не имеет заряда, т.е. электрически нейтрален, число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Значит, число протонов в ядре равно порядковому номеру химического элемента Z в периодической таблице Менделеева.

Ядерные частицы – протоны и нейтроны – называют нуклонами.

Изотопы – разновидность данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер, т. е. числом нейтронов.

Устойчивость ядер зависит от отношения числа нейтронов к числу протонов.

Ядерные силы – это силы притяжения между нуклонами в ядре. Это самые мощные силы в природе, их ещё называют «богатырь с короткими рукавами». Они относятся к сильным взаимодействиям.

Свойства ядерных сил:

1) это силы притяжения;

2) примерно в 100 раз больше кулоновских сил;

3) зарядовая независимость;

4) короткодействующие, проявляются на расстояниях порядка 10-12 -10-13 см;

5) взаимодействуют с конечным числом нуклонов.

Масса любого атомного ядра всегда меньше, чем масса составляющих его частиц:

Дефект масс - разность масс нуклонов, составляющих ядро, и массы ядра:

Энергия связи – это минимальная энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные частицы:

Удельная энергия связи – это полная энергия связи ядра, деленная на число нуклонов:

Это интересно…

В середине XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = =110 -114.
В Дубне был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" всего 30 секунд, что невероятно долго для атома с ядром такого размера.
Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500

Молодой физик Эрнест Резерфорд около ста лет назад разобрался в явлении ионизации газов только что открытыми радиоактивными веществами. В своих опытах в роли электроскопа, быстро разряжавшегося при ионизации воздуха, он использовал ... шелковую кисточку. Резерфорд приводил её в рабочее состояние, поглаживая ее основания «теплым сухим кисетом» для табака. Вот это уровень экспериментальной техники всего лишь вековой давности!

Алхимикам не удалось преобразовать ядра атомов, т.е. из одного химического элемента получить другой, потому что энергия связи в ядрах (в расчете на одну частицу), примерно в миллион раз (!) превышает химическую энергию связи атомов между собой.

В 1915 году американский физик Уильям Харкино первым сделал предположение, что устойчивость атомных ядер обеспечивается энергией связи. Он также первым ввёл понятие «дефект масс».

Английский же ученый Фрэнсис Астон сконструировал масс-спектрограф. На нём он сделал точнейшие измерения. И в 1927 году построил кривую, которая описывает энергию связи. Более устойчивы к распаду и имеют большие значения энергии связи ядра атомов, которые содержат определенные, так называемые магические, числа протонов и нейтронов. В подмосковной Дубне был получен 114-й химический элемент при поисках таких стабильных ядер.

Практически сразу после открытия нейтрона, два ученых: Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель атома, согласно которой ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Частицы, входящие в состав атомного ядра (то есть, протоны и нейтроны) стали называть нуклонами.

Для характеристики ядра того или иного атома вводятся такие величины, как массовое число (то есть, число нуклонов в ядре) и зарядовое число (то есть, число протонов в ядре). Число протонов и нейтронов в ядре можно узнать с помощью таблицы Менделеева.

Как выяснилось, существуют элементы, которые ничем не отличаются друг от друга по своим химическим свойствам, но, несмотря на это, имеют различные массовые числа. Такие элементы называли изотопами. Изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий.

Исходя из того, что одноименно заряженные частицы испытывают электростатическое отталкивание, протоны, находящиеся в ядре должны разлететься в разные стороны, поскольку расчеты говорят о том, что кулоновские силы в данном случае значительно мощнее гравитационных. Тем не менее, этого не происходит. Дело в том, что в пределах атомных ядер действуют ядерные силы. Эти силы являются самыми мощными силами в природе и относятся к фундаментально иному типу взаимодействия — сильному взаимодействию.