Почему одни элементы оказываются стабильными, а другие — быстро распадаются? Ответ на этот вопрос дает исследование энергии связи нуклонов в ядре. Рассмотрим эту тему подробнее.
Силам отталкивания противостоят силы ядерного притяжения (сильного взаимодействия). Силы эти значительно мощнее кулоновских. Их переносчиками являются глюоны. Но, в отличие от фотонов, которые электрически нейтральны и сами не участвуют в электромагнитном взаимодействии, глюоны несут ядерный («цветовой») заряд и в ядерном взаимодействии участвуют наравне с нуклонами. Поэтому глюоны не могут удаляться от источника на большие расстояния. Это определяет малый радиус действия ядерных сил.
В результате на расстояниях порядка $10^{-15}$м нуклоны прочно удерживаются рядом, обмениваясь глюонами. Но с ростом расстояния обмен глюонами становится всё менее вероятен, и сила взаимодействия резко ослабевает. На расстояниях порядка $10^{-14}$м силы ядерного притяжения имеют порядок кулоновских сил, а далее очень быстро падают.
Энергия связи нуклонов
Для расщепления ядра необходимо удалить нуклоны на расстояние, превышающие радиус действия ядерных сил. Энергия, требуемая для этого, различна для различных ядер.
Если нуклонов в ядре мало, то глюонам легко удерживать их вместе. И по мере роста количества нуклонов глюонные силы растут (по сравнению с кулоновскими силами отталкивания).
Однако при увеличении количества нуклонов они располагаются всё дальше друг от друга, вероятность обмена глюонами понижается. В результате глюонные силы начинают ослабевать, а кулоновские силы — по прежнему растут.
Получается, что по мере роста количества нуклонов в ядре энергия связи ядра сперва растет, а потом начинает падать. Ядра, в которых нуклонов очень много, теряют стабильность и начинают распадаться самопроизвольно. Этим и объясняется радиоактивность тяжелых ядер. Кроме того, тяжелое ядро легче распадается при внешнем воздействии на него.
Для определения удельной энергии связи нуклонов ядра бомбардируют частицами с известной энергией, а потом рассчитывают энергию продуктов распада по специальным формулам. Из энергии продуктов можно рассчитать энергию связи и составить из полученных значений график:
По представленному графику видно, что по мере увеличения количества нуклонов в ядре удельная энергия связи нуклонов в ядре сперва быстро растет, потом при массовом числе 50~60 достигается максимум, где энергия равна 8,6 МэВ на нуклон, — это самые стабильные ядра. Далее удельная энергия связи начинает падать.
Нейтрон не имеет электрического заряда и не испытывает кулоновского отталкивания. При этом он участвует в ядерном взаимодействии и «цементирует» ядро. Поэтому в более тяжелых ядрах относительная доля нейтронов увеличивается. Однако нейтрон нестабилен, и по мере увеличения количества нейтронов в ядре становится «выгодным» их распад в результате слабого взаимодействия. Тяжелое ядро всё равно оказывается нестабильным, но на этот раз из-за слабого взаимодействия.
Что мы узнали?
Стабильность атомного ядра определяется удельной энергии связи нуклонов в ядре. По мере роста числа нуклонов энергия связи на каждый нуклон сперва растет, при числе нуклонов 50~60 достигается максимум (порядка 8,6 МэВ на нуклон), далее удельная энергия связи начинает падать.
