Справочник по физике для поступающих в ВУЗы - Гаевой А.И.
Скачать (прямая ссылка):
§ 13*6. Ядро атома
Ядро атома, так же как н сам атом, обладает определенной структурой. Оно состоит нз протонов и нейтронов. Как мы уже знаем. протон — это адро атома водорода — элементарная частаям, обладающая единичным положительным зарядом. Нейтрон — это также элементарная частица, масса его приближенно равна массе вротона, «о заряда эта частица не имеет, т. е. нейтрон,— нейтральная частица. Существует общее название для протонов и нейтронов—нуклоны, т. е. вдериые частицы. Так как протоны—положительно заряженные частицы, а нейтроны — нейтральные, то они не могут удерживаться в ядре обычными кулоновскими силами. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре особого рода силами—ядерними сылаяи. И хотя природа ядерных сил еще не выяснена, сам механизм взаимодействия нуклонов представляется следующим образом: протоны и иейтровы испускают и поглощают так называемые те-мезонЫ, Эти частицы имеют массу, превышающую массу электрона в 273,2 раза. Существуют как положительные г.-мезоны, так и отрицательные и нейтральные (нейтральный л-мезон имеет массу в 264 раза превышающую массу электрона). Когда протон испускает «+-мезон, он превращается в нейтрон, а_нейтрон, поглотив л+-мезон, превращается в протон. Испустив л -мезон, нейтрон превращается в протон, а протон, поглотив я -мезон,— в нейтрон.
Обмен г.-мезонами обусловливает существование ядерных сил. я-мезоны осуществляют взаимодействие протонов и нейтронов между’ собой. Такие силы носят название обменных сил. 4
315
Общее, число протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом. Так, в составе ,ядра урана с массовым числом M=235 общее число нейтронов и протонов составляет 235. А так как заряд ядра урайа равен 92, то, следовательно, протонов в ядре 92, а нейтронов N = M — Z = 143. Теперь сравним атомный вес урана с суммарным / весом протонов и нейтронов. Атомный вес выражается в единицах, равных Vw атомного веса углерода. В этих единицах атомный вес урана с массовым числом 235 равен также 235, а вес протона равен
1,0 081, нейтрона— 1,0089. Поскольку в ядре урана находится 92 протона, то их вес будет 1,0081 - 92 = 92,7452, вес нейтронов І.0089Х X143 = 144,2727 и атомный вес урана должен быть 92,7452 + + 144,2727 = 237,0179. Однако атомный вес ядра урана, содержащего 92 протона н 143 нейтрона, равен 235. Разность 237,0179—235 = = 2,0179 называется дефектом массы ядра. Он возникает вследствие того, что при образовании сложного ядра происходит очень плотная упаковка нуклонов. Что это действительно так, можно видеть иа примере преобразования ядра атома азота при бомбардировке его а-частнцей. Запишем такое соотношение:
jNu + 3Не4 + Wa^ *01’ -f + W0,, + Wh,.
Здесь значком ,N14 обозначено ядро атома азота, у которого массовое число Af = 14, а заряд Z = 7. Соответствующие обозначения используются и для а-частицы (ядро атома гелия), изотопа кислорода и протона (ядра атома водорода). W«, W0i„ WH, — это обозначение кинетической энергии соответственно а-частицы и ядер кислорода и водорода (протона). Приведенное выражение представляет собой запись я дерн ой реакции превращения азота в кислород при бомбардировке азота а-частицами. Опыт показывает, что Wo > W01-,+ + WHi, т. е. кинетическая энергия частиц, являющихся продуктом ядерной реакции, оказалась меньше, чем кинетическая энергия а-частицы. Это произошло вследствие того, что масса образовавшихся продуктов превышает массу исходных элементов. Действительно, если подсчитать сумму масс азота и а-частицы, с одной стороны, и сумму масс кислорода и протона, с другой, то окажется, что (A0,,+ AHi)> > Mn» + АНе.), т. е. масса частиц, являющихся продуктом ядерной реакции, больше, чем масса исходных частиц.
§ 137. Деление ядер ураиа
Мы уже рассмотрели ядерную реакцию превращения ядра атома азота (при бомбардировке его а-частицей) в ядро атома кислорода с вылетом протона. Совершенно Другой тнп ядерных реакций про-
316
исходит при бомбардировке атомов нейтронами: здесь наряду с реакциями с вылетом протонов могут происходить еще два вида ядерных реакций: реакции с захватом нейтронов и реакции, приводящие к преобразованию ядра с вылетом нейтронов. Ядро урана (235). содержит 92 протона и 143 нейтрона. Такая система устойчива на пределе, и с определенной вероятностью происходит самопроизвольный распад ядер урана. Однако особый интерес представляет собой ядерная реакция расщепления ядра урана при захвате им нейтрона. Когда в ядрох урана влетает нейтрон, устойчивость ядра нарушается и оно раска-льюаепся на две части, разлетающиеся q огромными скоростями; при этом вылетает еще два-три нейтрона:
«и*® + оn' - S4Xeiio + Sgst« + 20п\
Образующиеся ксенои и стронций претерпевают многократные p-распады, в результате которых получаются элементы церий и цирконий. Реакции записываются так:
«ХеШ (Г, ^csmo <15 «*Ва1“ (15 "La”° (15 ^cet40i Si ^
Сумма масс атомов перия, циркония и двух нейтронов равна 140,13-)-91,22-)- 2 = 233,35, т. е. меньше, чем сумма масс атома ураиа (235) и нейтрона (рЛ1)- Таким образом, одновременно с уменьшением массы урана при реакции деления ядра возрастает кинетическая энергия осколков. Поэтому осколки и разлетаются с огромными скоростями. Расщепление ядра урана на ксеион и стронций не является единственно возможным. Ядро урана может расщепляться и на другие осколки. Однако всегда имеется более тяжелый осколок и более легкий.
