Фотораспад. Стабильность ядра

Приведенный расчет показывает, что по сравнению с энергией химической связи энергия связи нуклонов в ядре очень велика. Вместе с тем, когда атомная частица, например нейтрон, протон, α-частица или высокоэнергетический фотон, сталкивается с ядром, она может вызвать в нем определенные изменения. При этом может произойти много различных событий. Иногда налетающая частица просто захватывается ядром и остается в нем, пока другая частица или даже несколько частиц не будут испущены ядром. Налетающая частица может расщепить ядро на несколько ядер-фрагментов или же может просто отскочить от него при упругом ударе. Что конкретно с ядром произойдет, зависит от соотношения между энергией налетающей частицы и энергией связи нуклонов в ядре.

Следующим по сложности атомным ядром после простейшего ядра атома водорода, состоящего из одного протона, является дейтрон —ядро атома дейтерия. Оно состоит из одного протона и одного нейтрона. Ядерная реакция распада дейтрона

1H2 → 1H1 +0n1

позволяет рассчитать энергию связи дейтрона в атомных единицах массы по формуле (14) Есв = ZmН + Nmn- масса атома Н2.

Поскольку в случае дейтрона Z = 1 и N = 1, то

Есв= тн+ mn— масса атома Н2.

Проведем численный расчет:

1,007825 а. е. м. (тн)

+ 1,008665 а. е. м. (mn)

-----------------------------.

2,016490 а. е. м. - 2,014102 а. е. м.( масса атома Н2)= 0,002388 а. е. м.

Есв = 0,002388 а. е. м. Выразив это значение в единицах энергии, получим 2,22 МэВ.

Энергию связи дейтрона в единицах энергии можно вычислить по формуле

Есв+ mdc2= mрС2+ тnс2, (15)

где md— масса дейтрона, трс2— энергия покоя протона, тпс2энергия покоя нейтрона. Наглядно эта формула проиллюстрирована на рисунке 3.

Экспериментально энергию связи дейтрона d можно найти из данных пo реакции ядерного фотораспада, при которой моноэнергетический фотон (γ-квант) поглощается дейтроном, при этом последний распадается на протон и нейтрон. Уравнение реакции имеет вид: γ + d =р+п. (16)

Закон сохранения массы и энергии для ядерной реакции (16) дает соотношение

+ mdc2 = трc2 + тпc2 + Кр+ Кп, (17)

где КРи Кп — соответственно кинетические энергии образующихся в реакции протона и нейтрона; первоначальный дейтрон предполагается покоящимся. Минимальную, или пороговую, энергию налетающего фотона hν0можно найти из формулы (17), если в ней положить КР= Кп = 0. Таким образом, для пороговой энергии имеем выражение

(hν0)γ+ mdc2 = тр c2 + тп c2. (18)

Очевидно, что 0= Есв.

В обратной реакции ядерного фотоэффекта в результате ядерной реакции слияния покоящихся протона и нейтрона образуются γ-фотоны с энергией 2,22 МэВ. Реакция ядерного фотоэффекта записывается уравнением p +n → d + γ

В покое

В табл. 2 показано, как наблюдаемые в природе 272 стабильных ядра разбиваются на 4 группы в соответствии с тем, четны или нечетны в них числа протонов и нейтронов.

Таблица 2

Число протонов в ядре Число нейтронов в ядре Число стабильных ядер
Четное Четное
Четное Нечетное
Нечетное Четное
Нечетное Нечетное
   

Как ясно видно из таблицы, природа предпочитает в стабильных ядрах комбинации из четного числа протонов и четного числа нейтронов. Нечетно-нечетные комбинации в стабильных ядрах мы находим только у ядер легких химических элементов. Числа четно-нечетных комбинаций примерно одинаковы.