1.2. Строение ядра атома
1. Ядро состоит из
двух видов частиц: протонов
и нейтронов
,
массы которых примерно равны (m p≈1836
me,
m
n≈1839
me),
но протон имеет положительный заряд,
равный заряду электрона, а нейтрон –
нейтрален:
R нукл. ≈ 1,3 ·10 -15 м
- протон и нейтрон, как частицы ядра, имеют общее название – нуклон и, находясь в ядре, способны превращаться друг в друга, обмениваясь между собой тяжелыми квантами (π-мезонами), которые могут иметь положительный (π+ - мезон, m=273 me), отрицательный (π - - анти-мезон, m=273 me) или нулевой заряд (π0, m=264 me):
↔
+
π+
,
↔
+
π -
,
↔
+
π0 ,
↔
+
π 0 (Х.Юкава)
2. Имеются экспериментальные данные о том, что нуклон состоит из центральной части – ядра (керн нуклона) с размером порядка 10-17 -10-16 м, а вокруг ядра – атмосфера из пи-мезонов (π+ , π -, π0).
3. Основными показателями ядра являются:
- зарядовое число Z = числу протонов в ядре и порядковому номеру атома в таблице Менделеева;
- заряд протона e (элементарный положительный заряд);
- электрический заряд ядра = Ze;
- число нейтронов ядра N;
- массовое число ядра A = Z + N, выражает общее число нуклонов в ядре.
В настоящее время известны ядра с Z = 1 – 107 и A = 1 – 262 , которые обозначаются следующим образом:
, где
X – символ соответствующего химического элемента;
Z – зарядовое число ядра этого химического элемента;
A – массовое число ядра этого химического элемента, например
:
стронций – 90.
4. Классификация ядер
Изотопы – ядра одного и того же химического элемента, то есть имеющие одно и то же Z при разных A (при разных N), например:
- протий (легкий
изотоп водорода),
- дейтерий (тяжелый изотоп водорода),
- тритий (сверхтяжелый
изотоп водорода).
Природный водород представляет собой смесь 99,98% протия и 0,02% дейтерия.
В настоящее время известно около 300 устойчивых изотопов и свыше 1700 неустойчивых (радиоактивных) изотопов.
Изобары – ядра разных химических элементов, имеющие одно и то же A при разных Z,
например:
- бериллий,
- бор,
- углерод.
Четно-четные ядра – ядра, состоящие из четного число протонов и четного числа ней-
тронов.
Нечетно-нечетные ядра – ядра, состоящие из нечетного число протонов и нечетного
числа нейтронов.
Четно-нечетные ядра – ядра, состоящие из четного число протонов и нечетного числа
нейтронов.
Нечетно-четные ядра – ядра, состоящие из нечетного число протонов и четного числа
нейтронов.
5. Ядра не имеют четко выраженной границы, поэтому радиус ядра имеет условный смысл и величину, выражаемую следующей эмпирической формулой:
R я = R0A1/3, где
R0 = (1,3 – 1,7) ·10 -15 м;
A – массовое число ядра.
Форма ядра может быть как близкой к сферической, так и эллипсообразной.
6. Энергией связи ядра E св – называется разность между энергией нуклонов в ядре и их энергией в свободном состоянии, то есть, это такая энергия, которую надо сообщить ядру, чтобы разбить его на отдельные нуклоны:
E св = Δm c2, где
Δm = Zm p + Nm n – M я – дефект массы ядра, равный разности между массами протонов
и нейтронов ядра в свободных состояниях и массой ядра M я = M а– Zm e;
c – скорость света.
Кроме того, дефект массы ядра можно выразить и так:
Δm = M а– A
Δm = Zm H + Nm n – M а, где
M а – масса нейтрального атома, для которого определяется дефект массы;
A – массовое число ядра, для которого определяется дефект массы;
m H – масса а атома водорода.
Δm ≈ [0,0(A-100)2 - 64]·10-3 а.е.м. – экспериментальная формула.
Δm = E св / с2.
Дефект масс показывает, насколько масса ядра меньше суммы масс всех входящих в него нуклонов, когда они оказываются вне ядра, т.е. в свободном состоянии. Когда же эти нуклоны образуют ядро, то масса, равная дефекту их масс, превращается в энергию связи ядра, удерживающую ядро от распада.
7. В расчетах часто используют величину, называемую удельной энергией связи ядра, которая выражается формулой:
и является энергией связи, приходящейся на 1 нуклон ядра, которая определяет устойчивость ядра относительно распада.
Как вы помните, электрон в атоме водорода, находясь в нормальном состоянии на 1 энергетическом уровне, имел энергию связи = -13,6 эВ, удельная энергия связи нуклонов ядер химических элементов, находящихся в средней части таблицы Менделеева, составляет примерно 8,75 МэВ, т.е. громадную (по модулю) величину по сравнению с электронами.
Ядро может иметь различную энергию E я, которой и определяется его состояние:
E я = E св. = E мин E я > E мин E я = 0
●
●
○ ● ○
+ Δ1E ○
○ + Δ2E
○ ○
○ ● ○ ●
○ ○ ●
○ ● ○
○ ●
●
○ ● ○ ○ ○ ○
● ○ ○
Основное Возбужденное ● ○
состояние состояние Ядро распалось на нуклоны,
при Δ1E + Δ2E ≥ E св.
Рис. 8. Возможные состояния ядра атома
8. В ядре между его нуклонами учитываются 3 типа взаимодействия (сил):
а) сильное (определяется ядерными силами притяжения, действующими между нуклонами на
R ≈ 1,5 · 10 -15 м);
б) электромагнитное (определяется силами отталкивания между протонами);
в) слабое (за счет его происходит β-распад ядер и др. «медленные» распады.
В следующих таблицах приведены некоторые справочные данные:
Таблица 2
Сравнительная характеристика взаимодействий нуклонов
Тип взаимодействия |
Сравнительная величина |
Время протекания, сек |
Сильное Электромагнитное Слабое |
1 1/137 10 -14 |
10 -23 – 10 -22 10 -20 – 10 -18 10 -10 – 10 -8 |
P.s. Гравитационные силы между нуклонами так ничтожны (10 -38 ) по сравнению со всеми тремя другими силами, что в микромире они не учитываются.
Таблица 3