6.1.3. Елементи фізики ядра

6.1.3.1. Склад та розміри ядра

Атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів.

В 1919 р. Резерфорд здійснює першу ядерну реакцію і відкриває протон (р). Позначення, що використовуються в написанні ядерних реакцій буде описано далі детальніше. Це така реакція:

,

де позначення відповідає ядру атома гелію ( - частинка).

Протон (р) – елементарна частинка з масою спокою 1,6726485·10^-27 кг і елементарним позитивним зарядом + е (+1,6021892·10^-19 Кл). Маса спокою протона, що виражена в атомних одиницях маси (1а.о.м.=1,6605655·10^-27 кг) рівна:

m_p = 1,6726·10^-27 кг = 1,0073 а.о.м.

Маса електрона значно менша, ніж маса протона, а саме:

m_p = 1,0073 а.о.м.≈ 1836 m_е, де m_е – маса електрона.

В 1932 р. Чедвіком було встановлено існування нейтрона (n):

Нейтрон (n) :– елементарна частинка з масою спокою трохи більшою маси спокою протона. Нейтрон (n) – електрично нейтральна частинка з масою спокою m_n = 1,6749543·10^-27 кг =1,0087 а.о.м.≈ 1839 m_е.

Протони і нейтрони називаються нуклонами.

Після відкриття цих частинок була створена теорія будови ядра (Іваненко, Гейзенберг та ін.):

Ядро кожного атома складається тільки з протонів та нейтронів (нуклонів). У ядрах деяких атомів вони можуть перетворюватись один в одного:

- при перетворенні протона в нейтрон випромінюються позитрон (антиелектрон) і нейтрино:

;

- при перетворенні нейтрона в протон випромінюються електрон і антинейтрино (нейтральна частинкам з дуже малою масою спокою):

.

У ядрі протони і нейтрони міцно зв’язані внутрішньоядерними силами.

Ядерні сили спостерігаються на відстані 10^-14 – 10^-15 м. Ядерні сили між двома протонами в атомному ядрі в сотні разів більші за кулонівські, тому їх називаються сильними взаємодіями.

Протони і нейтрони в ядрі безперервно обмінюються частинками π – мезонами (π⁺, π^--, π⁰,) – так звана обмінна взаємодія.

А – масове число атома (заокруглена до цілого відносна атома маса), що дорівнює числу нуклонів у ядрі.

Число протонів у ядрі (порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва):

Z =N_p.

Число нейтронів у ядрі:

N_n = A – Z .

Загальне число нуклонів в атомному ядрі називається масовим числом А. Оскільки маса нейтрона і протона дуже близькі за значенням до 1 атомної одиниці маси (1 а.о.м. =1,66057·10^-27 кг), то заокруглена до цілого відносна атомна маса дорівнює числу нуклонів у ядрі. Відомо, що основна маса атома зосереджена в ядрі, оскільки маса електрона (що знаходиться на орбіті навколо ядра) у 1840 разів менша, ніж маса протона або нейтрона .

Атомне ядро характеризується зарядом Ze, де Z – зарядове число ядра, рівне числу протонів в ядрі. Воно збігається з порядковим номером хімічного елемента у Періодичній системі елементів Менделєєва.

Ядро позначається символом , де Х – символ хімічного елемента. Оскільки атом нейтральна система, то заряд ядра визначає і число електронів в електронній оболонці атома, а отже, зарядове число Z визначає хімічні властивості атома. Різні типи атомів мають загальну назву – нуклід. Нуклід – вид атомів і ядер, що мають певне число протонів та нейтронів. Нукліди характеризуються будь – якими двома числами із трьох фундаментальних параметрів: А – масове число, Z – зарядове число (число протонів), N=A–Z – число нейтронів у ядрі. Нукліди, що належать одному елементу, але відрізняються числом нейтронів, називаються ізотопами. Таким чином, ядра з однаковими Z, але різними А (різним числом нейтронів) називаються ізотопами, а ядра з однаковим А, але різними Z – ізобарами.

Наприклад, добре відомі ізотопи водню: – протій (Z=1, N=0), – дейтерій (Z=1, N=1), – тритій (Z=1, N=2).

Радіус ядра задається емпіричною формулою: , де R₀ ≈ 1,3·10^-15м. Густина ядерної речовини приблизно однакова для всіх ядер і становить близько 10¹⁷кг/м³.

Дефект маси та енергія зв’язку ядра. З експерименту випливає, що маса ядра m_я менша, ніж сума мас нуклонів, з яких воно складається. Із взаємозв’язку між масою та енергією ( Е=mс², де с=3·10⁸ м/с – швидкість світла у вакуумі) випливає, що будь-якій зміні маси відповідає зміна енергії, отже при утворенні ядра з окремих нуклонів повинна виділятися певна енергія. Із закону збереження енергії випливає: при розділенні ядра на складові частини необхідно затратити таку ж кількість енергії, яка виділяється при його утворенні.

Енергія, яку необхідно затратити, щоб розщепити ядро на окремі нуклони, називається енергією зв’язку ядра:

E_зв.= Z·m_p+(A-Z)·m_n–m_я ·c², (6.1.40)

де величина

(6.1.41)

називається дефектом маси ядра.

Формулу для енергії зв’язку ядра можна записати ще у такому вигляді:

E_зв. = (Z·m_н +(A - Z)·m_n – m)·c², (6.1.42)

де m_н – маса атома водню; m – маса відповідного атома.

Можна записати енергію зв’язку ядра і в такому вигляді:

, (6.1.43)

де – дефект маси ядра; c – швидкість світла у вакуумі.

У позасистемних одиницях енергія зв’язку ядра дорівнює E_зв = 931 , де дефект маси в а.е.м.; 931 – коефіцієнт пропорційності (1 а.е.м. » 931 МеВ). Ця енергія тоді буде виражена в МеВ (1 МеВ =10⁶ еВ = 1,6∙10^-13 Дж).