Номер 1, страница 200 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 54. Энергия связи нуклонов в ядре. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 1, страница 200.

В О П Р О С Ы

1. Почему у тяжёлых элементов доля нейтронов в ядре больше, чем у лёгких?

Почему у тяжёлых элементов доля нейтронов в ядре больше, чем у лёгких?

Это явление объясняется балансом двух фундаментальных сил, действующих внутри атомного ядра: сильного ядерного взаимодействия и электростатического отталкивания.

• Сильное ядерное взаимодействие — это чрезвычайно мощная, но короткодействующая сила притяжения. Она действует между всеми нуклонами (протонами и нейтронами) и стремится удержать их вместе, скрепляя ядро.
• Электростатическое (кулоновское) отталкивание — это дальнодействующая сила, которая возникает только между положительно заряженными протонами и стремится разорвать ядро.

У лёгких стабильных элементов, таких как углерод-12 (6 протонов, 6 нейтронов) или кислород-16 (8 протонов, 8 нейтронов), количество протонов $Z$ невелико. Силы кулоновского отталкивания между ними относительно слабы, и сильного взаимодействия достаточно для обеспечения стабильности ядра при примерно равном количестве протонов и нейтронов $N$. Для таких ядер соотношение $N/Z \approx 1$.

С увеличением атомного номера, то есть с ростом числа протонов в ядре, ситуация кардинально меняется. У тяжёлых элементов, например, урана-238 (92 протона, 146 нейтронов), в ядре находится большое количество протонов. Поскольку кулоновская сила является дальнодействующей, каждый протон отталкивается от каждого другого протона в ядре. В результате общая сила отталкивания резко возрастает (пропорционально $Z^2$). В то же время сильное взаимодействие, будучи короткодействующим, не усиливается так же быстро, так как каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших соседей.

Для того чтобы тяжёлое ядро оставалось стабильным, необходимо скомпенсировать это мощное отталкивание протонов. Эту роль выполняют нейтроны. Будучи электрически нейтральными, они не добавляют электростатического отталкивания, но при этом, как и протоны, участвуют в сильном ядерном притяжении. Фактически, нейтроны работают как дополнительный "клей", который скрепляет ядро. Кроме того, они "разбавляют" протоны, увеличивая среднее расстояние между ними и тем самым ослабляя их взаимное отталкивание.

Поэтому для достижения стабильности в тяжёлых ядрах требуется больше нейтронов, чем протонов. Это приводит к тому, что с ростом атомного номера доля нейтронов в стабильных изотопах увеличивается, а соотношение $N/Z$ растет от $\approx 1$ для лёгких элементов до $\approx 1.6$ для самых тяжёлых.

Ответ: В тяжёлых ядрах содержится большое количество протонов, создающих мощные силы электростатического отталкивания, которые стремятся разорвать ядро. Для обеспечения стабильности и компенсации этих сил отталкивания требуется большее количество нейтронов. Нейтроны добавляют сильного ядерного притяжения, не увеличивая при этом силы отталкивания, так как они не имеют электрического заряда.