3. Спин ядра и его магнитный момент
Использование особых приборов и измерительных систем позволили определить наличие у атомных ядер собственных механических моментов импульса (спина) и магнитного момента.
Собственный момент импульса ядра – спин ядра – складывается из спинов нуклонов и из орбитальных моментов импульса нуклонов. Обе эти величины являются векторами, поэтому спин представляет их векторную сумму. Спин ядра квантуется по закону:
,
где I – спиновое ядерное квантовое число. Наиболее часто встречающиеся значения I в природе равны:
.
Ядра с четными А имеют целые значения I, с нечетными А имеют полуцелые значения I.
Атомное ядро, кроме
спина обладает магнитным моментом
.
Связь между
и
спином
,
где
- ядерное гиромагнитное отношение.
Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон
.
меньше магнетона
Бора в ~ 1836 раз, поэтому магнитные свойства
атомов определяются в основном магнитными
свойствами его электронов.
Магнитные моменты
ядер определяются методом ядерного
магнитного резонанса. Явление ядерного
магнитного резонанса (ЯМР) заключается
в следующем: если на вещество, находящееся
в сильном постоянном магнитном поле,
действовать слабым переменным
разночастотным магнитным полем, то при
частотах, соответствующих частотам
переходов между ядерными подуровнями,
возникает резкое (резонансное) максимальное
поглощение энергии. Метод ЯМР позволяет
наблюдать ядерный резонанс на ядрах,
обладающих магнитным моментом порядка
.
Количество вещества, необходимое для
такого измерения,
.
Измерение значений магнитных моментов
ядер часто сводится к сравнению
резонансных частот исследуемых ядер с
резонансной частотой протонов. Данный
метод позволяет определять количественный
состав веществ с очень высокой точностью.
4. Ядерные силы. Модели ядра
Между составляющими ядра нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами и относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.
Свойства ядерных сил:
1) ядерные силы являются силами притяжения;
2) ядерные силы
являются короткодействующими на
расстоянии примерно
;
3) им свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, равны по величине силам взаимодействия протон-нейтрон и нейтрон-нейтрон (т.е. ядерные силы имеют неэлектрическую природу);
4) ядерным силам свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов (т.е. не пропорциональны количеству нуклонов, участвующих во взаимодействии);
5) ядерные силы
зависят от взаимной ориентации спинов
взаимодействующих нуклонов. Например,
протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро
изотопа
)
только при условии параллельности
ориентации их спинов.
6) ядерные силы не являются центральными, т.е. действующими по линиям, соединяющим центры нуклонов.
Сложный характер ядерных сил не позволил создать универсальную единую модель ядра. Существует две основные теории ядра - капельная и оболочечная.
1. Капельная модель ядра (1936 г. Н. Бор и Я. Френкель).
Основана на аналогии поведения нуклонов в ядре и молекул в жидкости. Силы в обоих случаях короткодействующие и им свойственно насыщение. Постоянны и удельная энергия связи, и плотность, не зависящие от числа нуклонов в ядре.
Объем жидкости и объем ядра пропорциональны числу частиц.
Недостаток: не смогла объяснить повышенную устойчивость ядер.
2. Оболочечная модель (1949-1950 гг. М. Майер, Х. Иенсен).
В данной модели предполагается расщепление нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам). Заполнение нуклонами происходит согласно принципу Паули, связывая устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Оболочечная модель позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер. По мере дальнейшего накопления экспериментальных данных о свойствах атомных ядер возникли новые модели: обобщенная модель (синтез капельной и оболочечной модели), оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами).