Атомное ядро

Состав и характеристика атомного ядра

У физиков начала XX в. Существовала важная проблема: обладает ли атомное ядро структурой и какой эта струк­тура могла бы быть? Оказалось, что ядро достаточно сложно. Тем не менее в начале 30-х годов была разрабо­тана модель атомного ядра, которая по-прежнему нахо­дит широкое применение. Согласно этой модели, ядро состоит из частиц двух типов — протонов и нейтронов. (Не следует забывать о том, что эти «частицы» обладают волновыми свойствами, но для большей наглядности мы будем говорить о протонах и нейтронах просто как о частицах.) Эти частицы носят назва­ние нуклонов.

Протон.

Протон (р) есть не что иное, как ядро атома водорода. Он обладает зарядом +е и массой

m_р = 938,7Мэв¹. (1.1)
Для сравнения укажем, что масса электрона, выра­женная в единицах энергии, составляет
m_e= 0,511Мэв. (1.2)
Из сопоставления (1.1) и (1.2) следует, чтот_р = = 1836 т._е.
Протон имеет спин, равный половине(s= 1/2), и соб­ственный магнитный момент
μ_p=+2,79μ₀
где Дж/Тл (1.3)
—единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения с Дж/Тл вытекает, что в1836 раз меньше магнетона Бора . Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.


Нейтрон.

Нейтроном (n) называется не обладающая электрическим зарядом частица ² с массой

т_п = 939,5Мэв, (1.4)
очень близкой к массе протона. Разность масс нейтрона и протона
т_п —т_р составляет 1,3Мэв, т. Е. 2,5 т_е.
Нейтрон обладает спином, равным половине (s = 1/2), и (несмотря на отсутствие электрического заряда) соб­ственным магнитным моментом
μ_n=-1,91 μ₀
(знак минус указывает на то, что направления собст­венных механического и магнитного моментов противо­положны) .
В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радио­активен)— он самопроизвольно распадается, превра­щаясь в протон и испуская электрон (е^-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино³(ῦ). Пе­риод полураспада равен ~ 12мин. Схему распада можно записать следующим образом:
n→р + е^-+ ῦ. (1.5)
Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса ней­трона, как мы видели, больше массы протона на 2,5 т_е. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (5), на 1,5 т_е, т. Е. на 0,77Мэв. Эта энергия выде­ляется при распаде нейтрона в виде кинетической энер­гии образующихся частиц.


Характеристика атомного ядра.

Ядро атома водорода состоит из одного протона, тогда как ядра атомов других химических элементов содержат и нейтроны, и протоны. Различные типы ядер часто называютнуклидами.Количество прото­новZ,входящих в состав ядра(в состав нуклида), определяет его заряд, который равен +Ze.Число Zназывается атомным но­мером (оно определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева) или за­рядовым числом ядра. Суммарное число нуклонов, т.е. нейтронов и про­тонов, обозначается буквой А и называетсямассовым числом. Такое название это число получило потому, что произведение А на массу отдельного нуклона очень близко к массе ядра. У нуклида с 7 протонами и 8 нейтронами Z= 7 и А = 15. Число нейтронов в ядре N = = А—Z.

Для обозначения ядер применяется символ_ZX^A, где под X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу—атомный номер (Z часто опу­скают).
Большинство химических элементов имеет по не­скольку разновидностей — изотопов, отличающихся значениями массового числа А. Так, например, водород имеет три изотопа:
₁H¹— обычный водород, или протий (Z= 1, N = 0),
₁H²— тяжелый водород, или дейтерий (Z= 1, N=1),
₁H³– тритий (Z=l, N = 2)⁴.
У кислорода имеется три стабильных изотопа:₈O¹⁶, ₈O¹⁷ , ₈O¹⁸ , у олова — десять, и т. Д.
Изотопы представляют собой ядра с одинаковым чис­лом протоновZ.Ядра с одинаковым массовым числом Аназываются изобарами. В качестве примера можно привести ₁₈Ar⁴⁰и. ₂₀Са⁴⁰. Ядра с одинаковым числом ней­тронов N = А — Zносят название изотонов(₆C¹³,₇N¹⁴). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинако­вымиZи А, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеется два изо­мера ядра₃₅Вr⁸⁰, у одного из них период полураспада равен 18мин, у другого — 4,4 часа.
Радиус ядра довольно точно определяется формулой: