VII. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц Состав и характеристики атомного ядра

Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые называются нуклонами. Протон имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона: е = 1,6·10^-19 Кл. Нейтрон зарядом не обладает. Масса протона m_p = 1836 m_e, масса нейтрона m_n = 1839 m_e, где m_e – масса электрона. В ядерной физике массы частиц принято выражать в единицах энергии, т.к. E = mc². Т.е. ; 1 эВ = 1,6·^-19 Дж. Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: , где Х – символ элемента, Z – атомный номер (зарядовое число), равный числу протонов в ядре и числу электронов в оболочке; А – массовое число, равное числу нуклонов в ядре, т.е. A = Z + N, где N – число нейтронов. Ядро имеет заряд Ze.

Спин ядра

Собственный момент импульса ядра или спин ядра складывается из спинов нуклонов и из орбитальных моментов импульса нуклонов и квантуется по закону , где I - спиновое ядерное квантовое число. Поскольку спин нуклона равен 1/2, то I принимает целые или полуцелые значения: 0; 1/2; 1; 3/2; … При нечетном числе нуклонов (А) I будет полу целым, а при четном – целым. Спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, поэтому у всех ядер с четным числом протонов и нейтронов спин равен нулю. Кроме спина атомное ядро обладает магнитным моментом Р_МЯ. Магнитный момент связан со спином ядра Р_МЯ = g_ЯL_Я, где g_Я - ядерное гиромагнитное отношение.

Ядерные силы

Между нуклонами действуют особые силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания протонов. Они называются ядерными силами. Доказано, что ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Эти силы относятся к классу, так называемых сильных взаимодействий. Ядерные силы обладают следующими свойствами:

1.Являются силами притяжения.

2.Являются короткодействующими – их действие проявляется только на расстоянии ≤ 10^-15 м.

3.Им свойственна зарядовая независимость.

4.Они зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов.

5.Им свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом близких к нему нуклонов.

Энергия связи ядра. Дефект массы

Атомные ядра являются устойчивыми образованиями. Измерения показали, что масса ядра меньше чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но, поскольку всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то при образовании ядра должна выделяться определенная энергия и, соответственно, для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра:

Е_св = [Zm_p + Nm_n – m_я]c² = [Zm_p + (A – Z)m_n – m_я]c²,

где m_n, m_p и m_я – массы нейтрона, протона и ядра. Е_св = Δmc². Величина Δm = =[Zm_p + (A –Z)m_n – m_я] называется дефектом массы ядра.

Вместо энергии связи часто рассматривают удельную энергию связи ΔЕ_св = , т.е. энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) ядер.

Из зависимости ΔЕ_св от А видно, что тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это значит, что энергетически выгодными являются процессы деления тяжелых ядер на более легкие и слияние (синтез) легких ядер друг с другом в более тяжелые.