Устойчивость атомных ядер

Сохранение атомов при химических превращениях является первым признаком особой устойчивости ядер атомов. Но эта устойчивость не абсолютна. Кроме устойчивых, существуют и неустойчивые, радиоактивные ядра. Разработаны и физические методы расщепления и превращения ядер, основанные на воздействии частиц, ускоренных до таких больших значений энергии, при которых, например, протон с зарядом +1 может преодолеть отталкивание положительно заряженного ядра и проникнуть в него. Это приводит к различным ядерным превращениям.

Устойчивость атомных ядер объясняется свойством нуклонов (р⁺ и п°) участвовать в особом виде взаимного притяжения, называемого сильным ядерным взаимодействием или просто сильным взаимодействием. У электронов такого свойства нет. В качестве заряженных частиц электроны и протоны участвуют в электромагнитном взаимодействии. На ничтожных расстояниях, имеющихся между нуклонами в ядре, сильное взаимодействие в 200 раз превышает электростатическое отталкивание между протонами. Особенность сильного взаимодействия состоит также в том, что оно очень быстро ослабевает при увеличении расстояния. Фактически сильное взаимодействие имеется только между смежными нуклонами.

Для частиц, расположенных на поверхности большого ядра, например радия ²^Ra, состоящего из 226 нуклонов, электростатическое отталкивание может почти сравняться с ядерным притяжением, и ядро теряет устойчивость. Этим можно объяснить радиоактивность всех тяжелых химических элементов, начиная с полония.

Сильное взаимодействие еще нельзя считать до конца изученным. Пока еще не удается предсказать, будет ли тот или иной нуклид устойчивым или радиоактивным. Замечено, что особой устойчивостью отличаются те атомные ядра, которые можно рассматривать как результат объединения нескольких ядер гелия. Такими ядрами являются ‘|С (три ядра Не), (четыре ядра Не). К ним относятся также по одному изотопу неона, магния, кремния, серы, аргона, кальция. Однако ядро *Ве, составленное из двух ядер гелия, вообще не существует. Ядра атомов, более тяжелых, чем '^Са, могут быть устойчивы только при избытке нейтронов относительно протонов.

Сильное ядерное взаимодействие связано с выделением энергии, величина которой совершенно не сопоставима с выделением энергии при химических реакциях. На основе выделения колоссальной энергии при расщеплении ядер урана сначала была осуществлена идея военного применения ядерпых превращений, а позднее начато применение ядерной энергии для производства электроэнергии. Эти процессы связаны с химией лишь косвенно — только потому, что химические методы разделения радиоактивных элементов необходимы для получения материалов, пригодных для применения в энергетике. Оценим устойчивость какого-либо атомного ядра по энергии, выделяющейся при его образовании. Возьмем алюминий, который встречается в природе в виде единственного нуклида^А1. По таблице Менделеева находим, что его атомная масса А_г = 26,982. Ее можно было бы округлить до 27 и проводить расчеты по уравнениям реакций. По сейчас требуется задуматься, почему эта масса немного меньше, чем 27? Ядро алюминия состоит из 27 нуклонов, масса каждого из которых превышает 1 а.е.м. Вдобавок, в атоме имеется еще 13 электронов. Просуммируем массу всех частиц, составляющих атом, используя данные табл. 4.2:

Оказывается, что атомная масса алюминия на 27,224 — 26,981 = 0,243 а.е.м. меньше, чем сумма атомных масс всех отдельно взятых частиц. На 1 моль алюминия это соответствует убыли массы 0,243 г. Недостающая масса перешла в энергию, выделившуюся при образовании алюминия. По уравнению Эйнштейна.

можно вычислить энергию при данном изменении массы:

В химическом процессе столь большое количество энергии выделилось бы при сжигании 666 т угля.

Это сравнение дает наглядное представление о точности закона сохранения массы при химических реакциях. Если бы возможно было взвесить вычисленную огромную массу угля с точностью хотя бы до 0,1 г, так же точно взвесить кислород и, наконец, полностью собрать и взвесить углекислый газ, то была бы обнаружена убыль массы около 0,2 г. Но проведение такого эксперимента совершенно нереально.

Очевидно, что закон сохранения массы имеет приближенный характер. Обнаружить отклонения от него в химических реакциях практически невозможно, а в ядерных процессах отклонение очевидно.

Все данные о составе атомных ядер показывают, что ядра, состоящие из одних протонов, не могут быть устойчивыми. Можно представить себе ядро, состоящее из двух протонов. За счет колебаний частиц электростатическое отталкивание в таком ядре может на мгновение превысить сильное ядерное взаимодействие, и тогда ядро распадается. Это ядро не существует. Добавление к двум протонам нейтрона обеспечивает устойчивость ядра ³₂Не. Присутствие нейтронов создает дополнительное притяжение между ядерными частицами без увеличения электростатического отталкивания. Кроме редкого в природе нуклида ³₂Не, нет ни одного устойчивого ядра с числом нейтронов, меньшим числа протонов. Но и сами нейтроны должны быть стабилизированы протонами. Есть изотоп водорода ³₁Н, в ядре которого два нейтрона при одном протоне. Этот изотоп неустойчив, излучает Р-частицы, и один нейтрон превращается в протон.