Внутриядерные взаимодействия

Поскольку атомные ядра входят в состав важнейших в химическом отношении структур — атомов и молекул — вопросы строения атомных ядер, а также их устойчивости представляют огромное значение для химии. Центральную роль в выяснении этих вопросов играет проблема внутриядерных взаимодействий, определяющих взаимные влияния нуклонов и все свойства атомного ядра как целого.

Между нуклонами внутри ядер существует два типа взаимодействий:

· остаточное цветовое (т.н. ядерные силы), обусловленное цветовыми зарядами кварков, содержащихся внутри расположенных рядом нуклонов;

· фундаментальное электромагнитное, обусловленное электрическими зарядами протонов, а также собственными магнитными моментами протонов и нейтронов.

Кроме того, все нуклоны имеют спиновое число s = 1/2 и относятся к классу фермионов. Следовательно, атомные ядра являются фермионными структурами, что накладывает специальные условия на возможные способы взаимодействия нуклонов друг о другом (действие принципа Паули).

Внутриядерные взаимодействия, в первую очередь, обусловлива­ют устойчивость ядра, саму возможность его существования как единой связанной структуры. Главную роль здесь играют кулоновские и ядерные силы, тогда как магнитные и фермион-фермионное взаимодействия при­водят к сложному поведению атомных ядер, к разнообразию их свойств. Вклады кулоновских и ядерных сил в устойчивость ядер различны и даже противоположны друг другу.

Кулоновские силы являются силами отталкивания, поскольку заряды всех протонов имеют один и тот же знак. Поэтому эти силы обусловливают существование внутри ядра положительной потенциальной энергии (Е _кул), которую можно вычислить как работу, необходимую для сближения определенного числа зарядов на заданное малое расстояние. Фундаментальный характер кулоновских сил приводит к тому, что работа, необходимая для внедрения в ядро каждого последующего протона, гораздо больше, чем предыдущего. В расчете на один нуклон, кулоновская энергия отталкивания быстро возрастает с увеличением заряда ядра.

Ядерные силы являются силами притяжения и обусловливают существование отрицательной потенциальной энергии (Е _ядерн). Они относятся к остаточному типу и являются насыщаемыми, т.е. действуют только между соседними нуклонами. По мере увеличения числа нуклонов в ядре величина энергии Е _ядерн (в расчете на один нуклон) растет только до определенного предела.

Разницу между двумя основными типами взаимодействий можно наглядно отобразить с помощью графиков зависимости от числа нуклонов (N) удельных значений энергий Е _кул/ N и Е _ядерн/ N.

Из графика ясно видно, что при небольших размерах ядра (N < N*) суммарная энергия ядра отрицательна и в нем преобладают силы притяжения. Поэтому такие ядра устойчивы. Напротив, большие ядра (N > N*) характеризуются положительной энергией и в них превалируют силы отталкивания. Такие ядра нестабильны и подвергаются самопроизвольному разрушению на более мелкие агрегаты нуклонов. Эта нестабильность обычно обозначается термином "радиоактивность". (Существует множество оценок критического числа N*, которые лежат в интервале от 130 до 150.)

С химической точки зрения важное значение имеет то обстоятельство, что разнообразие долгоживущих ядер, а, следовательно, и химических элементов, ограничено критической величиной атомного номера (N ~ N*).

Учет тонких эффектов, связанных с внутриядерными магнитными силами, влияние электронных оболочек и т.д. приводит к тому, что изображенные на графике зависимости, при сохранении их общего характера, становятся более сложными, "извилистыми".

Это приводит к появлению широкой области значений числа нуклонов, в которой устойчивость ядер становится плохо предсказуемой. Здесь возможно появление т.н. "островков" устойчивости и неустойчивости.