2. Строение ядра

Ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд.

Наряду с термином ядро атома часто используется также термин нуклид.

Ядро состоит из протонов р, имеющих заряд +е и нейтронов n – нейтральных частиц. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона (е= ). Нейтрон не имеет электрического заряда. Количество нейтронов в ядре N.

Прежде чем дать массу нейтрона и протона, отметим, что в атомной и ядерной физике масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.).

Одна а.е.м. равна 1/12 массы наиболее распространенного изотопа углерода, что в единицах СИ составляет 1,6610^-27кг, чаще масса измеряется в единицах энергии – электрон-вольтах (1эВ=1,610^-19Дж).

Учитывая соотношение Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е=mc² , можно показать, что одной а.е.м. соответствует энергия Е=1,66 10^-27(3 10⁸)² /(1,6 10^-19)=931,5 МэВ.

Итак, масса нейтрона m_n=1,00867 а.е.м. или m_n=939,6 МэВ, масса протона m_p=1.00728 а.е.м. или m_p=938,3 MэВ (масса электрона m_e=5,48610^-4 а.е.м. или m_e=0,511 МэВ).

Заряд ядра Ze, где Z – порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева, равный числу протонов в ядре.

Протоны и нейтроны называют одним словом нуклоны. Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное сильное взаимодействие - притяжение - обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание, одноименно заряженных протонов.

Если N – число нейтронов в ядре, то число нуклонов A=Z+N называют массовым числом.

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону - нулевое значение А.

Принято следующее обозначение ядер , где X – символ элемента.

Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами.

Пример: изотопы урана

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов. Самым тяжелым из имеющихся в природе элементов является изотоп урана . Элементы с атомными номерами больше 92 называются трансурановыми. Все они получены искусственно в результате ядерных реакций.

Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Zе, называются изобарами.

Пример:

Размер атома составляет единицы ангстрем (1А=10^-10м), а ядра  10^-4 – 10^-5А.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра, так как далеко не все ядра имеют сферическую форму и, кроме того, неясно, что следует понимать под поверхностью ядра, поскольку она образуется непрерывно движущимися нуклонами. Средний радиус сферического ядра приближенно вычисляют по формуле

,

(2.1)

где м.

Отсюда объем ядра V=V₀A, т.е. пропорционален числу нуклонов А. Плотность ядерного вещества очень велика: 10¹⁷кг/м³ и постоянна для всех ядер. Если бы Земля имела такую большую плотность, то ее радиус был бы  200м, а не 6400 км.