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

₁H^{2 →} ₁H¹ +₀n¹

позволяет рассчитать энергию связи дейтрона в атомных единицах массы по формуле (14) Есв = Zm_Н + 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= m_рС2+ т_nс2, (15)

где md— масса дейтрона, трс2— энергия покоя протона, тпс2— энергия 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

hν + mdc² = ^трc² + тпc² + Кр+ Кп, (17)

где К_Ри К_п — 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 К_Р= К_п = 0. Таким образом, для пороговой энергии имеем выражение

(hν₀)_γ+ m_dc² = т_р c² + т_п c². (18)

Очевидно, что hν₀= Е_св.

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.