35. Склад і характеристика атомного ядра. Состав и характеристика атомного ядра

Ядра атомов состоят из двух видов элементарных ча­стиц— протонов и нейтронов. Эти частицы носят назва­ние нуклонов.

Протон. Протон (р) есть не что иное, как ядро атома водорода. Он обладает зарядом +е и массой

т_р = 938,2 Мэв¹). (87.1)

Для сравнения укажем, что масса электрона, выра­женная в единицах энергии, составляет

/га, = 0,511 Мэв. (87.2)

Из сопоставления (87.1) и (87.2) следует, что т_р = = 1836 т._е.

Протон имеет спин, равный половине (5 = '/г), и соб­ственный магнитный момент

µ_р= + 2,79µ₀,

где

µо = = 5,05 • 10~²⁴ эрг/гаусс (87.3)

-—единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения с (71.3) вытекает, что цо в 1836 раз меньше магнетона Бора µв. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон. Нейтроном (п) называется не обладающая электрическим зарядом частица ') с массой

т_п = 939,5 Мэв, (87.4)

очень близкой к массе протона. Разность масс нейтрона и протона т_п — т_р составляет 1,3 Мэв, т. е. 2,5 т_е.

Нейтрон обладает спином, равным половине (5 = '/г), и (несмотря на отсутствие электрического заряда) соб­ственным магнитным моментом

µ_п= -1,91µ₀

(знак минус указывает на то, что направления собст­венных механического и магнитного моментов противо­положны) .

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радио­активен)— он самопроизвольно распадается, превра­щаясь в протон и испуская электрон (е^-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино (V) (см. § 101). Пе­риод полураспада равен ~ 12 мин. Схему распада можно записать следующим образом:

п-*р + е~ + (87.5)

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса ней­трона, как мы видели, больше массы протона на 2,5 т.е. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (87.5), на 1,5 т_е, т. е. на 0,77 Мэв. Эта энергия выде­ляется при распаде нейтрона в виде кинетической энер­гии образующихся частиц.

Характеристика атомного ядра. Количество прото­нов 7., входящих в состав ядра, определяет его заряд, который равен + -2е..Число 2 называется а т о м н ы м но­мером (оно определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева) или за­рядовым числом ядра.

Число нуклонов А (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = А — 2.

Для обозначения ядер применяется символ

где под X подразумевается химический символ данного элемента. Справа вверху ставится массовое число, слева внизу—атомный номер (последний значок часто опу­скают) .

Большинство химических элементов имеет по не­скольку разновидностей — изотопов, отличающихся значениями массового числа А. Так, например, водород имеет три изотопа:

[Н¹ — обычный водород, или протий (2 = 1, М = 0), [Н² —тяжелый водород, или дейтерий (2=1, I), !Н³-тритий (2=1, А/ = 2)¹).

У кислорода имеется три стабильных изотопа: вО¹®, вО¹⁷, бО¹⁸ у олова — десять, и т. д.

Изотопы представляют собой ядра с одинаковым чис­лом протонов 2. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. В качестве примера можно привести 1вАг⁴⁰ и. гоСа⁴⁰. Ядра с одинаковым числом ней­тронов N — А — 2 носят название и зото но в (вС¹³,7М¹⁴). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинако­выми 2 и А, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеется два изо­мера ядра зэВг⁸⁰, у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого — 4,4 часа.

Радиус ядра довольно точно определяется формулой:

г = 1,3 • 10~^|3Л'^/а см = 1 ,ЗЛ'^А ферми (87.6)

(ферми— название применяемой в ядерной физике еди­ницы длины, равной Ю^-13 см). Из соотношения (87.6) следует, что объем ядра пропорционален числу нукло­нов в Ядре.

В настоящее время известно около 1500 ядер, разли­чающихся 2, либо А, либо и тем и другим. Около '/* этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с 2 от 1 до 92, ис­ключая технеций (Тс, 2 = 43) и прометий (Рш, 2 = 61). Плутоний (Ри, 2 = 94) после получения его искусствен­ным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале — смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. е. заурановые) элементы (с 2 от 93 до 104) были получены только искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Ст), эйнштейний (99 Е.«), фермий (100 Рт) и менделевий (101 Мс1) по­лучили названия в честь выдающихся ученых П. и М. Кюри, А. Эйнштейна, Э. Ферми и Д. И. Менделеева. Лоуренсий (ЮЗ Ьш) назван в честь изобретателя цик- лотрона-Э. Лоуренса.

Элемент 104 был получен в 1964 г. в СССР в Лабо­ратории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне Г. Н. Флеровым и его сотрудниками путем бомбардировки плутониевой ми­шени (2 = 94) пучком ионов юИе²² (2 = 10), ускоренных до энергии 115 Мэв. Свое название «курчатовий» 104-й элемент получил в честь выдающегося советского фи­зика И. В. Курчатова.

Для устойчивых ядер характерно определенное отно­шение числа нейтронов N к числу протонов 2. У легких ядер это отношение близко к единице. По мере увели­чения числа нуклонов в ядре N12 растет, достигая для урана значения 1,6 (см. рис. 248, на котором по осиабсцисс отложено массовое число А, по оси ординат—■ отношение N к 2; точки на рисунке соответствуют от­дельным стабильным ядрам).

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в резуль­тирующий спин ядра. Спин нуклона равен ¹/г.. Поэтому согласно квантовым законам сложения моментов кван­товое число спина ядра / будет полудалым при нечет­ном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер / не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ⁴) ядер (т. е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Результирующий момент ядра М/ складывается с мо­ментом электронной оболочки Ш] в полный момент им­пульса атома Мкоторый определяется квантовым числом Р.

С механическими моментами связаны магнитные мо­менты. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому что состояния атома соответ­ствующие различным взаимным ориентациям и М/ (т. е. различным Р), имеют немного отличающуюся энер­гию. Взаимодействием моментов ^ и цв обусловливается тонкая структура спектров (см. § 72). Взаимодействием р.1 и ц/ определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может на­блюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.