8.1. 1. Состав и характеристики атомного ядра

Атом – наименьшая часть химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электрически нейтральную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Диаметр атома порядка 10^-10 м, диаметр ядра – 10^-15 – 10^-14 м. Ядро атома имеет сложное строение. В 1932 г. В.Гейзенберг и Д.Иваненко предложили нуклонную модель строения ядра, согласно которой ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Протон [от греч. protos – первый] (символ ) – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Время жизни протона > 10³¹ лет. Масса 1,6726∙10^-27 кг 938,3 МэВ. Электрический заряд протона положительный: 1,6∙10^-19 Кл. Спин протона равен ½, поэтому он подчиняется статистике Ферми-Дирака. Число протонов в ядре – зарядовое число, определяет общий заряд ядра и порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Заряд ядра определят число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля. Число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов в ядре, а их общий отрицательный заряд равен .

Характеристики протона, нейтрона, электрона
Характеристика	Протон	Нейтрон	Электрон
Масса, МэВ	938.28	939.57	0.511
Электрический заряд  (в единицах заряда электрона)	+1	0	-1
Внутренний момент количества движения (в единицах ћ)	1/2	1/2	1/2
Четность	+1	+1	+1
Статистика	Ферми-Дирака
Магнитный момент (в единицах ядерного магнетона)
	+2.79	-1.91
(в единицах магнетона Бора)			1.001
Время жизни	>1025 лет	887+2 с	>4.3·1023 лет
Тип распада		pe-νe

Нейтрон (символ n) [от лат neuter – ни тот, ни другой] – элементарная частица с нулевым электрическим зарядом, массой покоя 1,6749∙10^-27 кг (939,565 МэВ). Наряду с протоном под общим названием нуклон входит в состав атомных ядер. Имеет спин ½, подчиняется статистике Ферми-Дирака (является фермионом). Открыт в 1932 г. Дж. Чедвиком. В свободном состоянии нейтрон нестабилен, самопроизвольно распадается, превращаясь в протон с испусканием электрона и антинейтрино: Время жизни нейтрона – 896 с.

Протон и нейтрон считаются двумя состояниями нуклона. Масса атома определяется в основном массой его ядра. Массовое число зависит от общего числа протонов и нейтронов в ядре: (ядро содержит протонов и нейтронов). Массу ядра атома выражают в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а.е.м.) – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода ; применяется в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц, атомов, молекул. 1 а.е.м. = 1,6605655 · 10^-27 кг.

Для обозначения ядер атомов принята символика

или

где – символ химического элемента, – зарядовое число, – массовое число.

Изотопами называют ядра, имеющие одинаковый заряд , но различные массовые числа (т.е. различаются числом нейтронов). Например,

Ядра с одинаковыми , но разными называются изобарами. Например,

Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называются изотонами. Например,

Ядра с одинаковым числом протонов и нейтронов, но разными периодами полураспада называются изомерами. Например, существуют два вида ядер брома с периодами полураспада 4,4 часа и 18 мин.

В настоящее время известно более 2300 ядер, примерно 300 из них устойчивы, остальные нестабильны. В природе встречаются элементы с атомными номерами от 1 до 92 (кроме технеция и прометия ). Элементы с 93 получены искусственным путем, называются трансурановыми.

На рисунке показана N-Z диаграмма атомных ядер. Черными точками показаны стабильные ядра. Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра).  Протоноизбыточные ядра являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате β⁺-распадов, протон, входящий в состав ядра при этом превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра также являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате β^--распадов, с превращением нейтрона ядра в протон.

N-Z диаграмма атомных ядер

    Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). Тяжелые ядра наряду с процессами β⁺ и β^-- распада подвержены также  -распаду и спонтанному делению, которые становятcя их основными каналами распада. Пунктирная линия очерчивает область возможного существования атомных ядер. Линия B_p = 0 (B_p - энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line). Линия B_n = 0 (B_n - энергия отделения нейтрона) - справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~ 10^-23c) с испусканием одного или двух нуклонов.

Плотность ядерного вещества 10¹⁷ кг/м³.

Спины нуклонов образуют результирующий спин ядра, суммируясь по квантовым законам сложения моментов. При нечетном числе нуклонов спин ядра будет полуцелым, при четном числе нуклонов – нулем или целым числом. Спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. Поэтому спины ядер не превышают нескольких единиц. У ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов (четно-четные ядра) спин равен нулю.