3.1.3. Енергія зв'язку нуклонів у ядрі. Дефект маси. Ядерні сили і їх природа. Мезони

Внутрішню енергію ядра можна розрахувати за формулою

, (3.1.3.1)

де - сумарна енергія спокою всіх нуклонів у ядрі;

- маса довільного нуклона; с² - квадрат швидкості світла;

- сумарна кінетична енергія внутрішнього ядерного руху нуклонів;

Е_п -потенціальна енергія взаємодії нуклонів.

Внутрішню енергію ядра також можна розрахувати за формулою:

, (3.1.3.2)

де - маса спокою ядра;

с² - швидкість світла.

Праві сторони рівностей (3.1.13)-(3.1.14) прирівняємо

=,

звідки

. (3.1.3.3)

В лівій стороні рівності (3.1.3.3) сумарну кінетичну енергію внутрішньоядерного руху нуклонів у ядрі в сумі з потенціальною енергією їх взаємодії називають повною енергією зв'язку, взятою із протилежним знаком. Тому

. (3.1.3.4)

Повна енергія зв'язку ядра визначається роботою, яку треба виконати, щоб розділити ядро на окремі нуклони без надання їм кінетичної енергії.

Якщо масу нуклонів у ядрі і масу ядра виразити в а.о.м., то повна енергія зв'язку ядра буде виражатись в МеВ згідно рівності

, (3.1.3.5)

де - сумарна маса спокою всіх нуклонів;

- маса ядра спокою; 913,48 МеВ – величина, еквівалентна енергії а.о.м.

З урахуванням числа протонів у ядрі і числа нейтронів вираз (3.1.3.5) перепишеться

, (3.1.3.6)

де - маса протона;

m_n - маса нейтрона;

М_е - маса ядра.

Втрачаючи енергію на зв'язок нуклонів у ядрі, втрачається також маса. Ядро в зібраному стані завжди має масу меншу за сумарну масу нуклонів, з яких це ядро складається. Тому різницю мас в цьому випадку прийнято називати дефектом маси.

Дефект маси довільного ядра знаходиться за формулою

, (3.1.3.7)

Надзвичайно великі значення енергії зв'язку атомних ядер свідчать про існування надзвичайно великих ядерних сил взаємодії між нуклонами.

Важливим є той факт, що енергія зв'язку, розрахована на один нуклон у будь-якому ядрі, приблизно однакова і складає біля МеВ.

, (3.1.3.8)

де А - число нуклонів у ядрі.

Залежність енергії зв'язку, розрахованої на один нуклон, в залежності від масового числа атома А стабільних ізотопів відображена на графіку (рис. 3. 5).

Зменшення енергії зв'язку на один нуклон (питома енергія зв'язку) в ядрах атомів, які розташовані в кінці періодичної системи, вказує на те, що при поділі важкого ядра на два легших ядра виділятиметься енергія і такий процес може бути самочинним. Це дає змогу використати такі елементи для промислового виділення ядерної енергії, наприклад у ядерних реакторах.

Аналогічно можна звільняти достатньо велику енергію при синтезі з легких ядер більш важких. Цю енергію прийнято називати термоядерною.

Те, що при поділі важких ядер і синтезі з легких ядер більш важких звільняється значна енергія, вказує на значне притягання нуклонів у ядрі, тобто на існування ядерних сил.

Розрахунки показують, що ядерні сили майже у 137 разів перевищують сили кулонівського виштовхування і взаємодії магнітних моментів нуклонів. Це новий тип взаємодій, який істотно відмінний від інших видів взаємодії, серед яких можна назвати гравітаційні та електромагнітні.

Розглянемо основні характерні властивості ядерних сил. Ядерні взаємодії між двома протонами (р-р), двома нейтронами (n-п), протоном і нейтроном (р-п) однакові. Це говорить про те, що ядерні сили не залежать від електричного заряду. Протони й нейтрони мають однаковий ядерний заряд і відносяться до одного типу ядерних частинок - нуклонів. Властивість зарядової незалежності ядерних сил пояснює стійкість ядра дейтерію, яке складається лише з протона і нейтрона.

Ядерні сили мають властивість насичення. Кожний із нуклонів ядра вступає в ядерну взаємодію лише з обмеженим числом інших нуклонів. Такий висновок можна зробити з величини питомої енергії зв'язку нуклонів у ядрі, яка майже не залежить від числа нуклонів. Повна енергія зв'язку нуклонів у ядрі в цьому випадку пропорційна масовому числу А, а не А², у випадку відсутності насичення ядерних сил.

Ядерні сили належать до короткодіючих. Радіус їх дії не перевищує м. Дослідження взаємодій -частинок з ядрами легких елементів показали, що від відстані м діють ядерні сили притягання, а на відстанях менших за м сили притягання між нуклонами змінюються на досить сильне відштовхування, інакше густина ядерної речовини не була б однаковою для будь-яких ядер.

Ядерні сили не є центральними, оскільки залежать не лише від відстані між нуклонами, а й від взаємної орієнтації їх спінів.

Ядерні взаємодії дістали назву сильних взаємодій. Для сильних взаємодій питома енергія зв'язку нуклонів у ядрі складає від 7 до 8,7 МеВ.

Відомо, що будь-який вид взаємодій зводиться до обміну квантами. Так, квантами електромагнітних взаємодій є фотони; гравітаційних взаємодій - гравітони. У ядерних взаємодіях теж повинні існувати кванти ядерного поля.

У 1935 році японський фізик Юкава висунув сміливу гіпотезу про те, що в природі існують частинки з масою в 200÷300 разів більшою від маси електрона і що саме через них здійснюється взаємодія нуклонів. Носіями ядерних сил виявились ті - мезони, відкриті в космічному випромінюванні у 1947 році. Було встановлено, що існують позитивні - мезони й негативні - мезони, маса яких 273, та нейтральні -мезони, з масою 264. Згідно з мезонною теорією нуклони в ядрі постійно обмінюються відповідними мезонами. Цей процес відбувається через кожні с. Мезони при цьому рухаються з швидкістю, близькою до швидкості світла.

Якщо два протони, або два нейтрони, або протон і нейтрон обмінюються нейтральними -мезонами, то в цьому випадку на час обміну перетворення нуклонів не відбувається. Нейтрон з протоном також обмінюються -мезоном. Втративши один -мезон нейтрон на короткий час перетворюється в протон. В цей же час протон, поглинувши один -мезон, стає нейтроном. Протон з нейтроном можуть обмінюватись -мезоном. При цьому протон, втративши один -мезон, перетворюється в нейтрон, а нейтрон, поглинувши -мезон, перетворюється в протон.

Безпосередніх змін у масі протона або нейтрона внаслідок випромінювання або поглинання мезона не виявлено. Це дало можливість припустити, що вільними мезони в ядрі перебувають так мало часу, що виявити їх неможливо. Частинки такого типу у фізиці були названі віртуальними.