Строение атомного ядра и энергия связи

Из чего состоит ядро

Атомное ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален, а массы у них почти одинаковы. Число протонов Z называют зарядовым числом, оно равно номеру элемента в таблице. Общее число нуклонов A называют массовым числом.

Изотопы

Изотопы — это разновидности атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Например, у водорода есть три изотопа: обычный водород, дейтерий и тритий. Химические свойства изотопов почти не отличаются, а ядерные — заметно: одни изотопы устойчивы, а другие радиоактивны. Атомная масса элемента в таблице — это средняя масса всех его природных изотопов с учётом их распространённости.

Запись ядра: A над Z, символ элемента. Число нейтронов N = A − Z.

Ядерные силы

Протоны в ядре отталкиваются по закону Кулона, но ядро не разлетается. Его удерживают ядерные силы — особый вид взаимодействия. У них есть характерные свойства: они очень велики, но действуют лишь на малых расстояниях (порядка размера ядра) и одинаково притягивают любые нуклоны.

Дефект массы и энергия связи

Масса ядра всегда меньше суммы масс свободных нуклонов. Эту разницу называют дефектом массы:

Δm = (Z·m_p + N·m_n) − M_яд

По формуле Эйнштейна дефекту массы соответствует энергия связи — энергия, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны:

E_св = Δm · c²

Разбор примера

Удельная энергия связи — это энергия связи, приходящаяся на один нуклон: E_уд = E_св / A. Наибольшая она у ядер железа, поэтому именно такие ядра самые устойчивые. Лёгкие и тяжёлые ядра менее прочны — отсюда возможность получать энергию синтезом и делением.

Размеры ядра чрезвычайно малы: его диаметр примерно в сто тысяч раз меньше диаметра атома. При этом почти вся масса атома сосредоточена именно в ядре, ведь масса электронов ничтожна по сравнению с массой нуклонов. Плотность ядерного вещества огромна и одинакова для всех ядер, что говорит о плотной упаковке нуклонов.

Частые ошибки. Не путайте зарядовое число Z и массовое A. Дефект массы — это не ошибка измерения, а реальное проявление перехода массы в энергию связи.

Кратко о главном

• Ядро состоит из протонов и нейтронов — нуклонов.
• Изотопы различаются числом нейтронов при одинаковом Z.
• Ядро удерживают короткодействующие ядерные силы.
• Энергия связи: E_св = Δm · c².
• Самые устойчивые ядра — у железа (максимум удельной энергии связи).