Состав атомного ядра. Энергия связи

Из чего состоит атомное ядро

Атомное ядро состоит из частиц, которые называют нуклонами. Существует два вида нуклонов: протоны (частицы с положительным зарядом) и нейтроны (частицы без заряда). Открытие нейтрона принадлежит английскому физику Джеймсу Чедвику (1932 год).

Число протонов в ядре называют зарядовым числом Z — оно равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Общее число нуклонов называют массовым числом A. Число нейтронов находят как разность: N = A − Z.

Обозначение ядра

Ядро записывают в виде символа элемента с двумя числами: вверху массовое число A, внизу зарядовое число Z.

Изотопы

Изотопы — это разновидности атомов одного элемента, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. У них одинаковые химические свойства, но разная масса. Например, водород имеет изотопы: обычный водород, дейтерий и тритий.

Ядерные силы

Возникает вопрос: почему положительные протоны не разлетаются, ведь одноимённые заряды отталкиваются? Их удерживают вместе ядерные силы — особые силы притяжения между нуклонами. Они очень велики, но действуют лишь на крошечных расстояниях внутри ядра.

Дефект масс

Опыты показали удивительный факт: масса ядра меньше суммы масс отдельных протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Эту разность называют дефектом масс.

Энергия связи

Энергия связи — это энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны. Она связана с дефектом масс формулой Эйнштейна:

E = m·c^2

где m — дефект масс, c — скорость света. Чем больше энергия связи на один нуклон, тем устойчивее ядро.

Разобранный пример

Ядро лития Li имеет A = 7, Z = 3. Тогда число протонов равно 3, а число нейтронов N = 7 − 3 = 4.

Удельная энергия связи

Чтобы сравнивать устойчивость разных ядер, вводят удельную энергию связи — энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Чем она больше, тем прочнее ядро. Наибольшей удельной энергией связи обладают ядра средней части таблицы Менделеева, например ядро железа. У очень лёгких и очень тяжёлых ядер она меньше.

Из этого следует важный вывод. Энергию можно получить двумя способами: при слиянии лёгких ядер в более тяжёлые (термоядерная реакция, идущая в звёздах) и при делении очень тяжёлых ядер на более лёгкие. В обоих случаях образуются ядра с большей удельной энергией связи, и часть энергии выделяется.

Зачем нужны нейтроны

В лёгких ядрах число протонов и нейтронов примерно равно. В тяжёлых ядрах нейтронов заметно больше, чем протонов. Нейтроны не отталкиваются электрически, но участвуют в ядерном притяжении, поэтому помогают «склеивать» ядро и компенсировать отталкивание протонов. Без достаточного числа нейтронов тяжёлое ядро не смогло бы существовать.

Частая ошибка: путать массовое число и число нейтронов. Массовое число — это сумма протонов и нейтронов, а не только нейтроны.

Кратко о главном

• Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов.
• Зарядовое число Z — число протонов, массовое число A — число нуклонов.
• Изотопы отличаются числом нейтронов.
• Ядерные силы удерживают нуклоны на малых расстояниях.
• Энергия связи определяется дефектом масс: E = m·c^2.