Ядро. Элементарные частицы

Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц

Ядро. Элементарные частицы

Атомное ядро состоит из частиц, которые называют нуклонами – протонов и нейтронов. Нуклоны обладают внутренней структурой, включающей три более элементарные заряженные частицы – кварки. Состав ядра задается количеством нуклонов: зарядовым числом Z, равным числу протонов в ядре, и массовым числом А, равным полному числу нуклонов в ядре. Массы протонов и нейтронов примерно равны и почти в 1840 раз больше массы электрона и масса атома в основном сосредоточена в ядре. Число нейтронов в ядре равно N=A – Z. Зарядовое число совпадает с номером элемента в периодической таблице, поэтому ядра обозначаются символом этого элемента, а числа указывают слева от этого элемента . Заряд ядра равен суммарному положительному заряду протонов . На рисунке изображен нуклонный состав гипотетического ядра .

Атомы с одинаковым Z, но отличающиеся массовым числом (т.е. числом нейтронов), называются изотопами. Изотопы могут быть как стабильные, так и радиоактивные. Радиоактивные изотопы характеризуют типом радиоактивного распада (). Не существует стабильных изотопов для всех элементов с . У остальных элементов есть в среднем по три изотопа. На рисунке сплошной кривой показана зависимость N от Z для устойчивых ядер (пунктиром показана зависимость Z=N). Видно, что с увеличением порядкового номера в устойчивых ядрах число нейтронов явно превышает число протонов. Наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов ( и др.).

Между нуклонами действуют ядерные силы притяжения, удерживающие их в ядре не смотря на сильное (на столь малом расстоянии) кулоновское отталкивание протонов и для разделения ядра на нуклоны необходимо совершить положительную работу. Величину этой работы называют энергией связи ядра. С использованием формулы Эйнштейна для связи массы и энергии представим энергию связи ядра как

В первом приближении энергия связи пропорциональна числу нуклонов в ядре, т.е. числу . Для более точного анализа используют удельную энергию связи, определяемую как , т.е. энергия связи на нуклон. На рисунке изображена примерная зависимость от . Из графика следует, что с ростом А удельная энергия быстро возрастает(при А < 16), потом плавно растет достигая при А 60 (в области железа) максимум 8,8 МэВ/нуклон, после чего плавно убывает до 7,6 МэВ/нуклон для ядра последнего природного элемента . Благодаря резкому росту при малых , оказывается энергетически выгодным слияние легких ядер (термоядерная энергия), а благодаря убыванию при больших энергетически выгодным оказывается деление тяжелых ядер (атомная энергия). Термоядерная энергия в расчете на один нуклон в несколько раз превышает атомную.