31. Сверхтонкая структура спектральных линий. Состав и характеристики атомных ядер. Размеры атомных ядер. Спин атомного ядра.

Состав и характеристика атомного ядра.

Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон. Протоно ( p ) обладает зарядом +e и массой

m_p= 938,28 МэВ 44144\* MERGEFORMAT (.)

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

m_e= 0,511 МэВ 45145\* MERGEFORMAT (.)

Из сопоставления 144 и 145 следует, что m_p= 1836 m_e

Протон имеет спин, равный половине (s =1/2), и собственный магнитный момент

46146\* MERGEFORMAT (.)

Где 47147\* MERGEFORMAT (.)

- единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения масс протона и электрона вытекает, что μ_я в 1836 раз меньше магнетона Бора μ_б. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон. Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физи­ком Д. Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса m_n = 939,57 МэВ 48148\* MERGEFORMAT (.)

очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона (m_n – m_p) составляет 1,3 МэВ, т.е. 2,5 m_e.

Нейтрон обладает спином, равным половине (s = 1/2) и (несмотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

μ_n = - 1,91 μ_я 49149\* MERGEFORMAT (.)

(знак минус указывает на то, что направления собственных механи­ческого и магнитного моментов противоположны). Объяснение этого удивительного факта будет дано позже.

Отметим, что отношение экспериментальных значений μ_p и μ_n с большой степенью точности равно - 3/2 . Это было замечено лишь после того, как такое значение было получено теоретически.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e^-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино . Период полураспада (т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схе­му распада можно написать следующим образом:

50150\* MERGEFORMAT (.)

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы прото­на на 2,5m_e. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения 150 на 1,5m_e, т.е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра. Одной из важнейших характерис­тик атомного ядра является зарядовое число Z. Оно равно коли­честву протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен +Z_e. Число Z определяет порядковый номер химичес­кого элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его так­же называют атомным номером ядра.

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = A – Z.

Для обозначения ядер применяется символ

где под X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу – атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента

Ядра с одинаковым Z, но разными А называются изотопами. Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа:

, у олова - десять, и т.д.

Водород имеет три изотопа:

– обычный водород, или протий (Z=1, N=0),

– тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1),

– тритий (Z=1, N=2).

Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. В качестве примера можно привести и . Ядра с одинако-­ вым числом нейтронов N = A – Z носят название изотонов ( , ). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Напри-­ мер, имеются два изомера ядра , у одного из них период полу­- распада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, осталь­ные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu, Z = 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т.е. заурановые) элементы (с Z от 93 до 107) были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

Некоторые трансурановые элементы, в том числе курчатовий и элементы с номерами 106 и 107, были получены в Лаборатории ядерных реак­ций Объединенного института ядерных исследований в Дубне ученым

Н.Н. Флеровым и его сотрудниками.

Размеры ядер. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

51151\* MERGEFORMAT (.)

(ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, рав­ной

10^-13 см). Из формулы 151 следует, что объем ядра пропорцио­нален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер J не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т.е. ядро с четным числом протонов и четным чис­лом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра M_J складывается с моментом электрон­ной оболочки в полный момент импульса атома M_F, который определяется квантовым числом F.

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям M_J и (т.е. различным F), имеют немного отли­чающуюся энергию. Взаимодействием моментов μ_L и μ_S обусловлива­ется тонкая структура спектров. Взаимодействием μ_J и 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.