Атомное ядро

r= 1,3 • 10^-13A^1/3см = 1,ЗA^1/3ферми (1.6)
(ферми— название применяемой в ядерной физике еди­ницы длины, равной 10^-13см). Из соотношения (1.6) следует, что объем ядра пропорционален числу нукло­нов в ядре.
В настоящее время известно около 1500 ядер, разли­чающихся Z, либо А, либо и тем и другим. Около ¹/₄ этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.
В природе встречаются элементы сZот 1 до 92, ис­ключая технеций (Тс,Z= 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu,Z— 94) после получения его искусствен­ным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале — смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. Е. заурановые) элементы (сZот 93 до 104) были получены только искусственным путем посредством различных ядерных реакций.
Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) по­лучили названия в честь выдающихся ученых П. иМ. Кюри, А. Эйнштейна, Э. Ферми и Д. И. Менделеева. Лоуреисий (103 Lw) назван в честь изобретателяА- лотрона-Э. Лоуренса.
Э
Рис. 1
лемент 104 был получен в 1964 г. В СССР вЛабо­ратории ядерных реакций Объединенногоинститутаядерных исследований в Дубне Г. Н. Флеровыми егосотрудниками путем бомбардировки плутониевойми­шени (Z = 94) пучком ионов ₁₀Ne²² (Z= 10), ускоренных до энергии 115Мэв. Свое название «курчатовий»104-йэлемент получил в честь выдающегося советскогофи­зика И. В. Курчатова.
Для устойчивых ядер характерно определенноеотно­шение числа нейтронов N к числу протоновZ.У легкихядер это отношение близко к единице. Помереувели­чения числа нуклонов в ядреN/Zрастет, достигаядля урана значения 1,6 (см. рис. 1, на которомпо осиабсцисс отложено массовое число А, по оси ординат — отношение N к Z;точки на рисунке соответствуют от­дельным стабильным ядрам).
Спин ядра.

Спины нуклонов складываются в резуль­тирующий спин ядра. Спин нуклона равен¹/₂. Поэтому согласно квантовым законам сложения моментов кван­товое число спина ядра I будет полуцелым при нечет­ном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер I не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ⁵ ядер (т. Е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Результирующий момент ядра М_I складывается с мо­ментом электронной оболочки М_Jв полный момент им­пульса атома M_F, который определяется квантовым числомF.
С механическими моментами связаны магнитные мо­менты. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответ­ствующие различным взаимным ориентациям М_Iи М_J(т. Е. различнымF),имеют немного отличающуюся энер­гию.Взаимодействием моментов (μ_Lи μ_Sобусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием μ_Iиμ_J определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может на­блюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.

2. 
   Масса и энергия связи ядра
   

Масса ядра m_я всегда меньше суммы масс входящих в него частиц⁶). Это обусловлено тем, что при объедине­нии нуклонов в ядро выделяется энергия связи нукло­нов друг с другом. Энергия связи Е_cв равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие рас­стояния, при которых они практически не взаимодей­ствуют друг с другом. Таким образом, энергия ядра меньше энергии системы невзаимодействующих нуклонов на величину, равнуюЕ_cв. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии

уменьшение энергии тела на должно сопровождаться эквивалентным уменьше­нием массы тела на . Следовательно, энергия связи нуклонов в ядре равна:
Е_cв= с² {[Zm_p+ (А — Z) m_n] – m_я}. (2.1)
Это соотношение практически не нарушится, если за­менить массу протона m_p массой атома водорода m_H, а массу ядра m_ямассой атома m_a.Действительно, если пренебречь сравнительно ничтожной энергией свя­зи электронов с ядрами, указанная замена будет озна­чать добавление к уменьшаемому и вычитаемому вы­ражения, стоящего в фигурных скобках, одинаковой величины, равнойZm_e.Итак, выражению (2.1) можно придать вид:
Е_cв=с²{[Zm_H+ (А — Z) m_n] – m_a}. (2.2)
Последнее соотношение удобнее, чем (2.1), потому что в таблицах даются обычно не массы ядер, а массы атомов.
Найдем энергию связи нуклонов в ядре ₂Не⁴, в состав которого входят два протона(Z= 2) и два нёйтрона (A —Z = 2). Масса атома ₂Не⁴ равна 4,00260 а. е. м., чему соответствует 3728,0Мэв. Масса атома водорода ₁H¹равна 1,00815 а. е. м. [938,7Мэв;(1.1)]. Мас­Анейтрона равна значению (1.4). Подставляя эти ве­личиныв формулу (2.2), получим
Е_св = [2 • 938,7 + 2 • 939,5] – 3728,0 = 28,4Мэв.
В расчете на один нуклон энергия связи ядра гелия составляет 7,1 Мэв⁷). Для сравнения укажем, что энер­гия связи валентных электронов в атомах имеет вели­чину в10⁶ раз меньшую (порядка 10эв). Для других ядер удельная энергия связи, т. Е. энергия связи, прихо­дящаяся на один нуклон (Е_св/А), имеет примерно такую же величину, как у гелия. На рис. 2 изображен гра­фик, показывающий зависимостьЕ_св/А от массового числа А. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с мас­совыми числами порядка 50—60 (т. Е. для элементов от Сr до Zn). Энергия связи для этих ядер достигает 8,7Мэв/нуклон. С ростом А удельная энергия связи по­степенно уменьшается; для самого тяжелого природного элемента — урана она составляет 7,5 Мэв/нуклон.Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает энергетически возможными два процесса: 1) де­ление тяжелых ядер на несколько более легких ядер и 2) слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.Оба про­цесса должны сопровождаться выделением большого ко­личества энергии. Так, например, деление одного
я