Все ядра грубо можно разделить на два класса - стабильные и радиоактивные (нестабильные). Стабильные ядра самопроизвольно не распадаются. Нестабильные ядра распадаются, испуская либо электрон, либо позитрон, либо a-частицу, либо раскалываясь на ядра более легких элементов. В стабильных ядрах и в нестабильных, до распада, нуклоны удерживаются силами, являющимися более мощными, чем электрические - адронными. Это следует из того, что имеющиеся в ядре протоны электростатически отталкиваются и, тем не менее, адронное взаимодействие удерживает их от разлетания.
Из того, что адронное взаимодействие более чем в сто раз сильнее электростатического, и того, что ядра атомов не слипаются, можно сделать вывод о превышении электростатических сил над адронными на больших расстояниях. Адронные силы являются короткодействующими. В 1935 г. Юкава теоретически предсказал, что потенциальная энергия двух взаимодействующих нуклонов, находящихся на расстоянии rдруг от друга, описывается законом (3) где параметр r0- радиус адронного взаимодействия, Q2- константа адронного взаимодействия аналогичная квадрату электрического заряда (вернее - квадрату заряда, деленному на 4pe0).
Дефект массы
Экспериментально установлено, что масса ядра всегда меньше суммарной массы составляющих его частиц. Причина состоит в том, что для разделения ядра, например, гелия на составляющие его два протона и два нейтрона, надо совершить работу против сил притяжения и увеличить энергию системы частиц на DE. Это увеличение можно назвать энергией связи ядра. По закону эквивалентности массы и энергии, увеличение должно сопровождаться увеличением массы: DE=Dmc2. (4) В результате разобранное ядро тяжелее ядра в сборке на Dm.Это и есть дефект массы.Энергию связи можно узнавать из измерений масс ядер.
Массы изотопов измеряют в устройствах, называемых масс-спектрографами. Принцип действия масс-спектрографа таков: Исследуемые изотопы ионизируют и разгоняют до некоторого значения кинетической энергии. Затем пучок разогнанных ионов направляют в магнитное поле. В магнитном поле ионы движутся по окружности. По радиусу окружности определяют массу иона. Схема устройства масс-спектрографа.
Ядерные реакции деления и синтеза
Пользуясь этим графиком легко предсказать энергетический выход любого ядерного превращения. При разделении ядра урана на два осколка с массовыми числами 92 и 133, происходит переход от ядра с меньшей удельной энергией связи к ядрам с большей энергией связи, значит, энергетический выход положительный.
Таблица значений энергии связи некоторых ядер
Изотоп
EсвМэВ
Изотоп
EсвМэВ
Изотоп
EсвМэВ
Изотоп
EсвМэВ
H
2,2
Be
65,0
O
111,9
Po
1675,9
H
8,5
B
37,7
O
127,6
Rn
1697,8
He
7,7
B
56,3
Kr
732,2
Ra
1697,8
He
28,3
B
64,7
Ba
1149,9
Th
1743,0
Li
26,3
B
76,2
Pb
1607,5
Ac
1741,0
Li
32,0
C
73,4
Pb
1636,4
Ra
1741,0
Li
39,2
C
92,2
Tl
1632,2
Th
1766,5
Li
41,3
C
97,1
Po
1655,8
U
1801,7
Be
37,6
N
73,8
Bi
1654,3
Th
1760,2
Be
56,5
N
104,7
Pb
1654,5
U
1783,87
связи. Такое превращение требует затраты энергии извне - энергетический выход отрицательный. Понятно, что положительный выход можно было бы получить при слиянии ядер углерода в ядро магния. Превращения, при которых при слиянии легких ядер получаются более тяжелые, называются ядерными реакциями синтеза.