Номер 6, страница 323 - гдз по физике 9 класс учебник Грачев, Погожев

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 54. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Вопросы - номер 6, страница 323.

Условие.

6. Почему ядра средней массы (т. е. с массовыми числами 40–80 а. е. м.) являются самыми прочными?

Решение.

Решение

Прочность, или стабильность, атомного ядра характеризуется удельной энергией связи. Это энергия, которую необходимо затратить для разделения ядра на отдельные нуклоны (протоны и нейтроны), в расчете на один нуклон. Чем больше удельная энергия связи, тем прочнее ядро.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа $\text{A}$ (общего числа нуклонов в ядре) имеет вид кривой с ярко выраженным максимумом. Этот максимум как раз приходится на ядра со средними массами, в диапазоне массовых чисел примерно от 40 до 80 а.е.м. (наибольшей прочностью обладает изотоп железа-56). Такое поведение объясняется взаимодействием двух фундаментальных сил внутри ядра:

1. Сильное ядерное взаимодействие. Это чрезвычайно мощная, но короткодействующая сила притяжения, которая действует между всеми нуклонами. Из-за короткого радиуса действия каждый нуклон взаимодействует только со своими ближайшими соседями. В легких ядрах относительно велика доля нуклонов на поверхности, у которых меньше соседей, и они связаны слабее. По мере увеличения ядра доля «внутренних» нуклонов растет, что приводит к увеличению удельной энергии связи.

2. Электромагнитное (кулоновское) взаимодействие. Это дальнодействующая сила отталкивания, которая действует только между положительно заряженными протонами. В отличие от сильного взаимодействия, каждый протон отталкивается от всех остальных протонов в ядре. С ростом числа протонов в ядре суммарная сила отталкивания быстро нарастает, что ведет к дестабилизации ядра.

Таким образом, для ядер средней массы (с массовым числом $\text{A}$ в диапазоне 40–80) достигается оптимальный баланс. Ядро уже достаточно велико, чтобы большинство нуклонов были внутренними и максимально эффективно участвовали в сильном взаимодействии. В то же время, количество протонов еще не настолько велико, чтобы их взаимное кулоновское отталкивание стало доминирующей силой, ослабляющей ядро. У более легких ядер стабильность ниже из-за поверхностных эффектов, а у более тяжелых — из-за возрастающего электростатического отталкивания протонов.

Ответ: Ядра средней массы (с массовыми числами 40–80) являются самыми прочными, потому что в них достигается наиболее выгодный баланс между короткодействующими силами ядерного притяжения, которые связывают все нуклоны, и дальнодействующими силами кулоновского отталкивания между протонами. В этих ядрах удельная энергия связи, характеризующая прочность ядра, достигает своего максимального значения.