Ядра с одинаковыми А, но разными Z называются изобарами. Например, 3 1H и 3 2Hе.

Устойчивость ядер означает, что между нуклонами существуют силы притяжения, превышающие кулоновское отталкивание. Силы гравитационного притяжения не могут обеспечить устойчивость ядра, т.к. они в 10³⁶ раз меньше кулоновских. Внутри атомных ядер действуют ядерные силы (другое название этого взаимодействия – сильное взаимодействие). Перечислим их свойства:

1) Они больше всех остальных взаимодействий между нуклонами. Если ядерные силы принять за 1, то электромагнитные составят ~10^-2, а гравитационные – ~10^-36. Величиной ядерных сил определяется большая плотность атомного ядра (~10¹⁷ кг/м³).

2) Ядерные силы являются короткодействующими. На расстояниях не больших 10^-15 м сильное взаимодействие нуклонов значительно превосходит электромагнитное и гравитационное, но с увеличением расстояния между нуклонами очень быстро убывает.

3) Ядерные силы не центральные, т.е. источником не являются точки.

4) Для сильного взаимодействия характерна зарядовая независимость (не зависят от зарядов нуклонов).

5) Ядерные силы обладают свойством насыщения. Нуклон способен взаимодействовать только с определенным количеством других нуклонов.

Свойство насыщения ядерных сил делает их в некоторой мере сходными с силами связи атомов в молекулах. Ковалентная связь между атомами в молекуле возникает за счет постоянного обмена валентными электронами. Х.Юкава в 1935 г. показал, что все основные свойства ядерных сил можно объяснить, приняв, что нуклоны обмениваются между собой частицами с массой немногим более 200 электронных масс. Такие частицы были обнаружены экспериментально в 1947 г. Они получили название пи-мезонов или пионов. Существуют положительный, отрицательный и нейтральный пи-мезоны. Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения – фотоны. Протон, испустивший положительный пи-мезон, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пи-мезона превращается в протон:

.

Таким образом, пи-мезоны являются квантами поля сильного взаимодействия, или квантами ядерного поля. В принципе возможны четыре типа обмена пионами:

.

Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым – устойчивость ядра.

Энергия связи ядра

Точные измерения масс атомных ядер показали, что масса любого устойчивого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс Z свободных протонов и N нейтронов:

.

Из закона взаимодействия массы и энергии следует, что полная энергия свободных протонов и нейтронов должна быть больше полной энергии составленного из них ядра. Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию ΔЕ_св, равную разности между полной энергией свободных протонов и нейтронов и полной энергией ядра:

.

Минимальная энергия ΔЕ_св, которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра. Эта энергия расходуется на совершение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами.

При соединении протонов и нейтронов в атомное ядро происходит освобождение энергии; освобождаемая энергия равна энергии связи ядра. Эта энергия освобождается за счет работы сил ядерного притяжения между нуклонами.

Отношение энергии связи ядра ΔЕ_св к числу нуклонов А в ядре называется удельной энергией связи нуклонов в ядре. Эта величина в разных атомных ядрах неодинакова. Сначала с ростом массового числа А она увеличивается от 1,1 МэВ/нуклон у ядра дейтерия до 8,8 МэВ/нуклон у железа, а далее с ростом массового числа постепенно убывает и снижается до 7,6 МэВ/нуклон у урана. Зависимость удельной энергии связи нуклона в ядре от массового числа представлена на рисунке 119. Из графика видно, что существует два пути освобождения энергии: синтез легких элементов и деление тяжелых. Отметим, что наиболее выгодной, в отношении энергетического выхода, является реакция синтеза ядер протия или дейтерия, поскольку, как это следует из графика, в данном случае разность энергий связи синтезируемого ядра и исходных ядер будет наибольшей.

Удельная энергия связи нуклонов в атомных ядрах в сотни тысяч раз превосходит энергию связи электронов в атоме.