Ядерні сили та енергія зв'язку

Електрони, маючи негативний заряд, утримуються навколо позитивного ядра завдяки електромагнітній взаємодії. Зясовано, що всі частинки в ядрі притягуються одна до одної завдяки взаємодії, яка в сотні разів сильніша, ніж електромагнітне відштовхування протонів. Саме тому взаємодію нуклонів називають сильною взаємодією.

Сили, які діють між протонами й нейтронами в ядрі та забезпечують існування атомних ядер, називають ядерними силами.

Ядерні сили є тільки силами притягання, є близькодіючими (виявляються на відстанях, які приблизно дорівнюють розмірам нуклона),  не залежать від заряду та мають властивість насичення (нуклон виявляється здатним до ядерної взаємодії одночасно лише з невеликою кількістю нуклонів-"сусідів").

Ядерні сили набагато сильніші за кулонівські, тому щоб "розділити" ядро на окремі нуклони, необхідно виконати роботу, тобто витратити певну енергію.

Енергію, необхідну для повного розщеплення ядра на окремі нуклони, називають енергією зв'язку атомного ядра (\(E_{зв}\))

 За законом збереження енергії така сама енергія повинна виділятися під час утворення ядра. Енергія і маса пов'язані формулою Ейнштейна: \(E=m\cdot\ c^2\). Ретельні вимірювання довели, що маса будь-якого ядра менша від суми мас нуклонів, із яких це ядро складається:

\(m_{я}<Zm_{p}+Nm_{n}\)

де \(m_я\) - маса ядра, \(m_p\) - маса протонів (\(1,6726485\cdot 10^{-27} кг\)), помножена на їх кількість \(Z\), \(m_n\)- маса нейтронів (\(1,674943\cdot 10^{-27} кг\)) у ядрі, помножена на їх кількість \(N\).

Різницю маси нуклонів, з яких складається ядро, і маси ядра називають дефектом мас:

 \(\Delta m=(Zm_{p}+Nm_{n})-m_я\)

Оскільки під час утворення ядра маса системи зменшується, то енергію, яка виділяється під час утворення ядра, а отже, й енергію зв'язку можна визначити за формулою:

\(E_{зв}=\Delta mc^2\) або \(E_{зв}=\Delta mk\), де \(k=931,5\frac{МеВ}{а. о. м.}\)

Для того щоб розуміти, чому одні ядерні реакції відбуваються з поглинанням енергії, а під час інших енергія, навпаки, виділяється, необхідно знати про питому енергію зв'язку.

Питома енергія зв'язку \(f\) - фізична величина, яка характеризує ядро певного нукліда й чисельно дорівнює енергії зв'язку, що припадає на один нуклон ядра:

\(f=\frac{E_{зв}}{A}\)

 Чим більша питома енергія зв'язку, тим стійкіше ядро