Элементы ядерной физики

Атомное ядро. Ядро атома состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в системе элементов Менделеева Z (числу протонов в ядре или числу электронов в атоме), число нейтронов – . Ядро обозначают символом.

Ядра могут иметь несколько изотопов, характеризующимися одним и тем же порядковым номером Z, но различными А и N. Например, – ядро водорода – протон;– ядро дейтерия – дейтрон (d); – ядро трития – тритон (t).

Электрический заряд ядра равен числу положительно заряженных протонов в ядре. Размеры ядер зависят от числа нуклонов в ядре, и как у всякой квантовой системы у атомного ядра нет четко выраженной границы.

Эффективный радиус ядра , где константам близка к радиусу действия ядерных сил (значениезависит от того, в каких физических явлениях измеряется размер ядра).

В экспериментах по рассеянию электронов и протонов на ядрах установлено, что в каждом ядре отчетливо различается внутренняя область (керн), в которой плотность ядерного вещества практически постоянна, и поверхностный слой, в котором эта плотность падает до нуля. Распределение концентрации нуклонов в ядре в зависимости от расстоянияr до центра ядра приведено на рис., где – радиус ядра, аr – толщина поверхностного слоя. Радиус ядра определяется как расстояние от центра ядра, на котором концентрация нуклонов падает в два раза, по сравнению с концент­рацией в центре ядра. Радиусы ядер находятся в пределах от 210^15 м до 1010^15 м.

По объему ядро занимает малую часть атома. Однако в ядре сосредоточено 99,9 % всей массы атома, поэтому плотность ядерного вещества   210¹⁷ кг/м³.

Размеры протона и нейтронапримерно одинаковы и равныl7,810^15 м. Размер электрона l10^19 м. Плотность вещества в нуклоне   7,510¹⁷ кг/м³. Время жизни протона t10³² лет. Время жизни нейтрона в свободном состоянии t11,7 минут, в ядре он стабилен.

Ядро характеризуют барионным зарядом В. Под барионами понимают группу элементарных частиц с полуцелым спином и массой не меньше массы протона, т.е. это протон, нейтрон, гипероны, часть резонансов и “очарованных” частиц и др. Барионный заряд протона В1, нейтрона – В0. Для существующих в природе атомных ядер барионное число изменяется от 1 (водород) до 110 для соответствующего элемента в периодической системе элементов Менделеева. Барионное число нейтронных звезд В10⁵⁷, а для всей Вселенной – В10⁷⁸.

Ядра характеризуются электрическим и магнитным моментами. В различных состояниях ядро может иметь разные по величине магнитные и электрические моменты. В СИ ядерный магнетон , гдеи– заряд и масса протона. В единицахмагнитный момент протона, нейтрона, т.е. магнитный момент нейтрона ориентирован против его спина.

Магнитные моменты ядер измеряют, используя явление магнитного резонанса, которое заключается в резонансном поглощении энергии высокочастотного электромагнитного поля, которое происходит при переориентации магнитных моментов, предварительно выстроенных в направлении постоянного магнитного поля.

Ядра могут вращаться, что обусловлено не сферичностью ядер в основном состоянии. Это следует из универсального квантового закона: вращаться может только такая микроскопическая система, которая не обладает сферической симметрией.

Атомные ядра могут находиться в определенных дискретных квантовых состояниях, отличающиеся друг от друга энергией и другими характеристиками, сохраняющимися во времени. Важнейшими квантовыми характеристиками ядерных состояний являются спин ядра I и четность Р. Спин – целое число у ядер с четным А (бозоны) и полуцелое при нечетном А (фермионы). Спин ядра равен сумме спинов составляющих его нуклонов.

Четность состояния Р  1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отражении пространства, т.е. как изменяется квантовое состояние при обращении знаков у координат всех частиц. Это преобразование называют пространственной инверсией, при инверсии правый винт становится левым.

Ядерные состояния характеризуются также другими квантовыми числами, например, изотопической инвариантностью ядерных сил. Она приводит к появлению у легких ядер (Z  20) квантового числа Т, называемого изотопическим спином (изоспином). Т – целое число при четном А и полуцелое при нечетном, так как изотопический спин нуклона равен . Для различных квантовых состояний ядра

. Изоспины основного состояния минимальны и равны

. Изоспин характеризует свойства симметрии волновой функции состояния ядра относительно замены. КромеI, P и T ядерные состояния могут характе­ризоваться другими квантовыми числами, связанными с конкретной моделью ядра.

Структуру сложных ядер исследуют с помощью моделей: капельной, оболочечной, ротационной, обобщенной и др. Например, согласно оболочечной модели многие ядра даже в невозбужденном состоянии имеют форму эллипсоида вращения и даже трехос­ного эллипсоида. Не сферичность основного состояния ядра – внутреннее его свойство.

Ядерные силы. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, являются проявлением одного из самых интенсивных, известных в физике взаимодействий – сильного (ядерного). Эти силы по интенсивности превосходят электромагнитные в 100 раз. Ядерные силы характеризуются следующими свойствами: