Фізика атомного ядра і елементарних частинок

1. Склад атомного ядра.

Ядра всіх атомів складаються з двох видів елементарних частинок – протонів і нейтронів (загальна назва – нуклони).

• Протон (р): має заряд +е і масу m_p = 1,00813 а.о.м. = 938,28 МеВ. Для порівняння у електрона маса дорівнює m_e=0,511MeB,тобтоm=1836m_e.(1а.о.м.=931,5МеВ=1,66*1027кг). Протон має спін, що доріванює s=1/2 і власний магнітний момент , де

 одиниця магнітного момента , що називається ядерним магнетоном, і отож (тобто в 660 разів менше магнітного момента електрона.

• Нейтрон, відкритий в 1932 р. англійським фізиком Чедвіком. Електричний заряд його дорівнює нулю, а маса m_n=1,00839а.о.м. = 939,57МеВ, має спін s=1/2 і (незважаючи на відсутність електричного заряда) власний магнітний момент (знак мінус вказує на те, що напрямки власних механічного і магнітного моментів протележні).

У вільному стані нейтрон нестабільний (радіоактивний) – він самовільно розпадається, перетворюється в протон випромінюючи електрон (е^-) і ще одну частинку антинейтріно . Період напіврозпаду, тобто час на протязі якого розпадається половина початкового числа нейтронів дорівнює 12хв. Схема розпаду:

. (5.1)

Маса антинейтрино дорівнює нулю (маса спокою). Враховуючи, що , маємо, що маса нейтрона більше маси частинок,з яких він складається на 1,5m_e, тобто на 0,77МеВ. Ця енергія виділяється при розпаді нейтрона у вигляді кінетичної енергії частинок, що утворюються.

2. Характеристики атомного ядра.

Однією з найважливіших характеристик атомного ядра є зарядове число Z, яке дорівнює числу протонів, що входять до складу атомного ядра, і визначає його заряд + Zе. Число Z визначає порядковий номер хімічного елемента в таблиці Менделєєва, тому його називають атомним номером ядра.

Число нуклонів у ядрі (сума нейтронів і протонів) позначається буквою А і називається масовим числом ядра. Тоді число нейтронів в ядрі буде

N=A-Z (5.2)

Для позначення ядер застосовується символ , де Х – хімічний символ якого-небудь елемента. Ядра з однаковим зарядовим числом Z, але з різними масовими числами А – називаються ізотопами. Більшість хімічних елементів мають по декілька стабільних ізотопів: у кисня три ( ), у олова десять, у водня є три ізотопа (  водень,  важкий водень або дейтерій,  тритій, який радіоактивний (тобто нестабільний).

Розмір ядра, яке можна рахувати у першому наближенні шаром з радіусом r, визначається масовим числом:

.

Якщо об’єм ядра пропорційний числу нуклонів у ньому. То густина речовини в усіх ядрах приблизно однакова.

Спіни нуклонів складаються в результуючий спін ядра. Так як спін нуклона ½, то квантове число спіна ядра буде напівцілим при непарному числі нуклонів А, і цілим або нульовим при парному А. Спіни ядер І не перевищують зазвичай декількох одиниць, тобто спіни більшої частини нуклонів у ядрі компенсуються, розташовуючись антипаралельно.

Механічний момент М_і ядра складається з моментів електронної оболонки М_j а повний момент імпульса атома позначається М_F і визначається квантовим числом F.

Взаємодією магнітних моментів електронів у ядрі пояснюється наявність тонкої та надтонкої структури атомних спектрів.