Кулоновская сила, открытая в 1785 году французским физиком Шарлем Кулоном, является фундаментальной силой, действующей между электрическими зарядами. Но как именно эта сила влияет на структуру атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов?
Сущность кулоновской силы
Кулоновская сила возникает между двумя точечными электрическими зарядами. Ее величина прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
F = kq1q2/r2
Где F - модуль силы, q1 и q2 - значения зарядов, r - расстояние между зарядами, k - коэффициент пропорциональности.
Эта формула носит название закона Кулона. Она играет ключевую роль в электростатике - разделе физики, изучающем электрические поля и заряды в покое.
Закон Кулона подобен закону всемирного тяготения Ньютона, поэтому кулоновскую силу иногда называют "электрическим притяжением".
Но если гравитационная сила всегда притягивает тела, то кулоновская может как притягивать, так и отталкивать - в зависимости от знаков зарядов. При этом она гораздо сильнее гравитации.
Кулоновская сила внутри атома
В атоме действует сила кулоновского взаимодействия между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Именно благодаря ей электроны удерживаются возле ядра, не разлетаясь.
Однако из-за сил электрического отталкивания между самими протонами ядро должно было бы развалиться! Почему этого не происходит - до конца не ясно. Ученые полагают, что протоны и нейтроны удерживает вместе сила ядерного взаимодействия, превосходящая кулоновскую по мощности.
Тем не менее, кулоновские силы играют важную роль при образовании химических связей в молекулах и кристаллических решетках твердых тел. Они "склеивают" атомы друг с другом, порождая все многообразие веществ в природе.
- сила кулоновского взаимодействия удерживает электроны возле ядра в атоме
- противодействует разлету протонов из ядра
- образует химические связи в молекулах
Как видно, роль кулоновской силы понять, как именно кулоновская сила влияет на структуру атомных ядер, рассмотрим подробнее ее проявления внутри ядра.
Проявление кулоновской силы в атомных ядрах
Ядро атома состоит из протонов, имеющих положительный заряд, и нейтральных нейтронов. Между протонами действуют силы электрического отталкивания по закону Кулона. Эти силы стремятся разорвать ядро!
Оценим, насколько велики кулоновские силы внутри ядра. Возьмем ядро урана-235 с зарядом 92е и массовым числом 235. Радиус такого ядра составляет примерно 7*10-15 м. Тогда, подставляя значения в формулу закона Кулона, получаем, что сила отталкивания двух протонов в ядре равна примерно 1035 Н!
Для сравнения: это в 1039 раз больше силы тяжести, действующей на протон! Такая гигантская сила должна была бы мгновенно разорвать любое ядро.
Однако на практике ядра урана и других тяжелых элементов вполне стабильны в течение миллиардов лет.
Значит, внутри ядра действует некая сила, способная уравновесить мощное электрическое отталкивание протонов. Этой силой является ядерное взаимодействие, которое во много раз превосходит кулоновскую силу.
Влияние на распад атомных ядер
Кулоновские силы отталкивания между протонами ограничивают размер и заряд атомных ядер, которые могут существовать в стабильном состоянии. Чем больше протонов в ядре - тем сильнее электрическое отталкивание между ними.
Поэтому атомные ядра с очень большим количеством протонов становятся нестабильными - они испытывают радиоактивный распад. Ядро распадается на более легкие ядра, пока кулоновские силы отталкивания не уменьшатся до приемлемого уровня.
Механизмы распада ядер из-за кулоновской силы
Существует несколько типов радиоактивного распада тяжелых ядер, вызванных действием кулоновских сил:
- Альфа-распад - испускание альфа-частиц (ядер гелия)
- Бета-распад - превращение нейтрона в протон с испусканием электрона
- Спонтанное деление - расщепление ядра надвое
Во всех этих процессах уменьшается общее количество протонов и заряд ядра, что приводит к ослаблению кулоновского отталкивания внутри него.
Как изменится сила кулоновского отталкивания при бета-распаде ядра?
При бета-распаде в ядре один из нейтронов превращается в протон, и из ядра вылетает электрон. Количество протонов и заряд ядра при этом увеличиваются на 1.
Можно предположить, что после бета-распада сила кулоновского отталкивания должна возрасти , поскольку стало больше положительных зарядов в ядре. Однако на самом деле происходит обратное - сила отталкивания часто даже немного уменьшается!
Это связано с тем, что протон меньше нейтрона по размерам, поэтому среднее расстояние между протонами в ядре немного увеличивается. А из закона Кулона следует, что при бóльшем расстоянии сила отталкивания падает.
Зависимость скорости распада от заряда ядра
Чем выше заряд атомного ядра, тем сильнее действующие в нем кулоновские силы отталкивания между протонами. Соответственно, выше вероятность того, что такое ядро распадется за счет альфа- или бета-процессов.
Экспериментальные данные подтверждают эту зависимость: чем больше заряд Z ядра, тем короче время его жизни τ. Например, для изотопов элемента радон с зарядами ядер от 86 до 88 электронов, время жизни падает с 26 минут до 11 минут.
Роль энергии связи ядра
Помимо заряда ядра, на скорость распада влияет энергия связи ядерных частиц. Чем больше эта энергия - тем прочнее "склеено" ядро и труднее ему распасться.
У легких ядер энергия связи на нуклон очень высока, поэтому они не испытывают распада вообще. Но с ростом массового числа она резко падает, и распад становится возможным благодаря действию кулоновских сил.
Особенности бета-распада ядер
Бета-распад - это превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Этот процесс идет самопроизвольно, так как позволяет ядру перейти в более стабильное состояние.
Даже у самых тяжелых ядер всегда есть некий "запас прочности" по количеству протонов, при котором распад еще не наступает. Кулоновские силы как бы "подталкивают" ядро к бета-распаду, но он происходит только тогда, когда выгода от увеличения энергии связи перекроет "затраты" на превращение нейтрона.
Возможность замедления распада
Известно несколько способов замедлить радиоактивный распад, вызванный действием кулоновских сил в тяжелых ядрах:
- Поместить ядра в экстремальные условия высоких давлений или температур
- Воздействовать сильными магнитными или электрическим полями
- Создать эффекты квантовой запутанности ядерных частиц
Однако полностью остановить радиоактивный распад материалов пока не удается. Требуются дополнительные фундаментальные исследования процессов внутри атомного ядра.
