Ядро - это система сильно взаимодействующих плотно упакованных нуклонов. Ядерное поле создается внутренними межнуклонными силами. Нуклоны в ядре должны часто сталкиваться и обмениваться энергиями. Средняя длина свободного пробега нуклона в ядре должна быть меньше радиуса ядра

Оболочечная структура ядра свидетельствует о том, что нуклоны в ядре во многом ведут себя как независимые частицы в потенциальной яме.

Масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но так как всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то, следовательно, при образовании ядра должна выделяться определенная энергия. Из закона сохранения энергии вытекает: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра

энергия связи нуклонов в ядре E _св =[ Zm_p + ( A - Z ) m_n - m _я ] c ² ,где m_р, m_n, m_я — соответственно массы протона, нейтрона и ядра. В таблицах обычно приводятся не массы m_я ядер, а массы m атомов. Поэтому для энергии связи ядра пользуются формулой

E _св =[ Zm_H + ( A - Z ) m_n - m ] c ² ,  где m_H — масса атома водорода. Так как m_H больше m_p на величину m_e , то первый член в квадратных скобках включает в се­бя массу Z электронов. Но так как масса атома т отличается от массы ядра m_я как раз на массу Z электронов, то вычисления по формулам (252.1) и (252.2) приводят к одинаковым результатам.

Часто вместо энергии связи рассмат­ривают удельную энергию связи dE_св — энергию связи, отнесенную к одному нук­лону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т. е. чем боль­ше dE_св, тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового чис­ла А элемента (рис. 342). Для легких ядер (А £12) удельная энергия связи круто возрастает до 6 — 7 МэВ, претерпевая це­лый ряд скачков (например, для ²₁НdE_св=1,1 МэВ, для ⁴₂Не — 7,1 МэВ, для ⁶₃Li — 5,3 МэВ), затем более медленно воз­растает до максимальной величины

8,7 МэВ у элементов с А = 50 —60, а потом постепенно уменьшается у тяжелых эле­ментов (например, для ²³⁸₉₂U она составляет 7,6 МэВ). Отметим для сравнения, что энергия связи валентных электронов в атомах составляет примерно 10 эВ (в 10⁶! раз меньше).

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объяс­няется тем, что с возрастанием числа про­тонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания. Поэтому связь между нуклонами становится ме­нее сильной, а сами ядра менее проч­ными.

Наиболее устойчивыми оказываются так называемые магические ядра, у кото­рых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых маги­ческими являются и число протонов, и чис­ло нейтронов (этих ядер насчитывается всего пять: ⁴₂Не, ¹⁶₈О, ⁴⁰₂₀Са, ⁴⁸₂₀Са, ²⁰⁸₈₂Pb).

Наиболее устойчивыми с энергетической точки зре­ния являются ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетиче­ски выгодны следующие процессы: 1) де­ление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер друг с другом в бо­лее тяжелые. При обоих процессах вы­деляется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуще­ствлены практически (реакции деления и термоядерные реакции).

Дефект массы —разность между массой покоя атомного ядра данного изотопа, выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом данного изотопа. Как правило, избыток массы выражается в кэВ.

Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существованиия дерных сил, поскольку известные гравитационные силы слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Связь нуклонов осуществляется чрезвычайно короткоживущими силами, которые возникают вследствие непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами, между нуклонами в ядре.

43. Ядерные и термоядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром.

Наиболее распространенный вид ядерной реакции – взаимодействие легкой частицы a с ядромX . В результате образуется легкая частица bи ядроY. В качестве легких частиц могут быть нейтрон (n), протон (p), дейтрон (d),α-частица (α),γ-фотон (γ).

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения: электрических зарядов и массовых чисел; энергии, импульса и момента импульса. Энергия, выделяемая или поглощаемая при ядерной реакции, определяется разностью масс исходных и конечных продуктов: .

Реакция называется экзотермической (если энергия выделяется) и эндотермической (если энергия поглощается)Примеры ядерных реакций: превращение азота в кислород под действием α-частиц.

Нейтроны – электрически нейтральные частицы, они не испытывают кулоновского отталкивания и поэтому легко проникают в ядра. Характер взаимодействия нейтронов с ядрами различен для быстрых и медленных нейтронов. Быстрыми называются нейтроны с энергиями 0,1 ÷ 50 МэВ, медленными – с энергиями < 100 кэВ. Медленные нейтроны с энергиями 0,005 ÷ 0,5эВ называются тепловыми нейтронами

Ядерные реакции – это превращение ядер атомов, вызванные воздействием на них элементарных частиц или других ядер. Так под действием нейтронов происходит самопроизвольное (спонтанное) деление ядер радиоактивных элементов с большими атомными массами (урана-235, тория-232, протактиния-231, плутония-239). Ядра урана-235 и плутония-239 делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Ядра урана-238 делятся только быстрыми нейтронами (с энергиями, не меньшими 1 МэВ).

Цепная реакция деления может начаться и происходить, если масса урана-235 достигает определенной величины. Наименьшее количество вещества, в котором возможна цепная ядерная реакция деления называется критической массой. Для урана-235 – это десятки кг, для урана-233 – 5-6 кг, для калифорния – около 1г. На этом основано устройство атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет 2 куска урана-235 или плутония-239 с докритической массой. При взрыве обычного взрывчатого вещества обе части соединяются, давая сверхкритическую массу.

Термоядерные реакции. Кроме процесса деления тяжелых ядер, существует и другой способ получения энергии – синтез тяжелых ядер из более легких. Такие реакции протекают при очень высоких температурах (многие миллионы градусов) поэтому их называют термоядерными. При такой температуре кинетическая энергия ядер достаточна для преодоления их кулоновских сил отталкивания. В этих условиях ядра легких элементов, двигаясь с высокой кинетической энергией, будут сближаться на очень малые расстояния – порядка 10-15 м и объединяться в ядра более тяжелых элементов. Примером таких реакций является синтез ядер гелия из ядер дейтерия и трития.

В приведенных реакциях выделение энергии, рассчитанное на один нуклон, превышает выделение энергии при реакциях деления тяжёлых ядер.       

На основе реакции синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития основано действие водородной бомбы. Необходимая для начала этой реакции температура обеспечивается взрывом атомной бомбы, которая выполняет роль своеобразного запала. В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Осуществить управляемую термоядерную реакцию пока не удается.