4 Атомное ядро

Атомное ядро состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Протон (p) имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона, и массу покоя, превышающую массу покоя электрона в 1836 раз. Нейтральная частица нейтрон (n) имеет массу, превышающую массу электрона в 1839 раз. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus – ядро). Общее число нуклонов в ядре называется его массовым числом А. Заряд ядра определяется числом протонов Z, которое называется зарядовым числом. Зарядовое число совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов. Ядра принято обозначать в виде , где X – символ химического элемента.

Известные к 2012 году 118 элементов имеют зарядовые числа ядер от 1 до 118. В настоящее время известно около 1500 ядер, отличающихся либо А, либо Z, либо тем и другим. Примерно 20% этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Ядра с одинаковым зарядовым числом А (одинаковым числом протонов), но разным массовым числом Z (разным числом нейтронов) называются изотопами. Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов: кислород имеет три стабильных изотопа (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О), у олова 10 изотопов и т.д. Водород имеет три изотопа: протий (1 протон), дейтерий (1 протон, 1 нейтрон), тритий (1 протон, 2 нейтрона). Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Радиус ядра пропорционален массовому числу А и составляет (1,3-1,7)×10^-15 м. Плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (10¹⁷ кг/м³).

Опыт показывает, что масса ядра меньше суммы масс составляющих нуклонов на величину m, называемую дефектом массы ядра. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра E_св. Энергия связи ядра связана с его дефектом массы m соотношением E_св.=mc².

Единая последовательная теория атомного ядра до настоящего времени не разработана. Среди моделей, описывающих свойства ядра, наиболее известны капельная и оболочечная модели. Капельная модель (Н. Бор, Я.И. Френкель, 1936) основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Оболочечная модель (М. Гепперт-Майер, Х. Иенсен, 1950) предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули. Устойчивость ядер в этой модели связана с заполнением этих оболочек. Наиболее устойчивыми (магическими) оказываются ядра с полностью заполненными оболочками (⁴Не, ¹⁶О, ⁴⁰Са, ⁴⁸Са, ²⁰⁸Pb).

Между составляющими ядро нуклонами действуют особые силы притяжения, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Эти силы называются ядерными. Отличительные особенности ядерных сил состоят, в частности, в следующем:

1. Ядерные силы являются короткодействующими. Радиус действия ядерных сил составляет 10^-15 м; на расстояниях, больших 10^-15 м, ядерное притяжение протонов сменяется их кулоновским отталкиванием.

2. Ядерные силы обладают зарядовой независимостью. Взаимодействие протона с протоном, протона с нейтроном и нейтрона с нейтроном имеет одинаковую величину.

3. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.

4. Ядерные силы не являются центральными, т.е. действующими по прямой, соединяющей нуклоны.

5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.

Сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов не позволило до настоящего времени разработать единую последовательную теорию атомного ядра.