Протон-нейтронная модель ядра получила свое опытное обоснование, но при этом возник довольно сложный вопрос: какими силами внутри ядра атома удерживаются нуклоны? Действительно протоны внутри ядра атома имеют одноименные заряды, следовательно между ними существуют силы отталкивания, довольно большие по значению так как протоны располагаются близко друг к другу. Нейтроны вообще не имеют электрического заряда, но все равно удерживаются внутри ядра. Кроме того, разрушить ядро - очень прочная структура, то есть нуклоны удерживаются внутри при помощи очень большой силы.
Силы, удерживающие нуклоны внутри ядра называются ядерными силами. Это - самые мощные по величине силы природы, они гораздо больше сил гравитационного или электромагнитного происхождения. Однако, ядерные силы действуют только на очень маленьких расстояниях - порядка 10-15 м.
Энергия связи
Нуклоны внутри ядра удерживаются мощными ядерными силами. Для разделения ядра на отдельные нуклоны необходимо совершить работу и сообщить ядру определенную энергию.
Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.
Исходя из того, что ядерные силы очень большие можно прийти к выводу, что и энергия связи должна быть большой. Основой для вычисления энергия связи является формула Эйнштейна определения энергии покоя частиц: E=mc2. Где m - масса частицы, c - скорость света (3•108 м/с). Следовательно, если в результате какого-либо процесса изменяется масса на значение Δm, то и энергия связи меняется на значение ΔE = ΔmC2. Получается, что при слиянии нуклонов и образовании ядра выделяется энергия, а масса нуклонов - уменьшается. В результате получается, что масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит. Величина Δm, называется дефектом масс, и определяется по формуле:
mp и mn - масса протона и нейтрона соответственно. Z и N - их количество в ядре атома. Mя - масса ядра.
Для примера вычислим дефект масс и вычислим энергию связи для атома кислорода .
Ядро содержит Z = 8 протонов, общее количество нуклонов в ядре A = 16, значит количество нейтронов N = A - Z = 16 - 8 = 8.
Масса протона mp = 1,00783 а.е.м., нейтрона mn = 1,00867 а.е.м., масса атома кислорода m = 15,99492 а.е.м. Масса указывается в атомных единицах масс, 1 а.е.м. = 1,66 •10-27 кг.
Вычисляем дефект масс: Δm = mя - (Zmp + Nmn) = 15,99492 а.е.м. - (8 × 1,00783 а.е.м. + 8 × 1,00867 а.е.м. = 0,13708 а.е.м. = 0,2275528•10-27 кг
Определяем энергию связи: E = ΔmC2 = 0,2275528•10-27 кг × (3 •108)2 = 2.01•10-11 Дж
.