VI. Физика атомного ядра и элементарных частиц

1. Состав атомного ядра

Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, т.е. нуклонов. Протон (р) обладает зарядом 1,6·10^-19 Кл, массой 1,67·10^-27 кг, проекцией спина и магнитным моментом + , где - ядерный магнетон, равный: . В свободном состоянии протон считается стабильным, т.е. не распадается.

Нейтрон ( ) электрически нейтрален, масса меньше массы протона на 2,5m_e, проекцией спина , магнитный момент -1,91μ_я и направлен противоположно спину. В свободном состоянии нейтрон не стабилен, период полураспада двенадцать минут:

. (6 – 1)

Всякое ядро атома характеризуется зарядовым числом (число в ядре протонов) и массовым числом (число в ядре нуклонов). Число нейтронов в ядре:

. (6 – 2)

Для обозначения ядер используют символьную запись , где под подразумевается химический символ данного элемента, например, . Ядра с одинаковыми , но разным , называют изотопами. Ядра с одинаковыми , называют изобарами. Ядра с одинаковым числом нейтронов N называют изотонами. С некоторым приближением ядро атома можно представить в виде шара, радиус которого определяется формулой:

. (6 – 3)

Из формулы (6 – 3) следует, что плотность вещества в ядрах всех элементов одинаковая.

2. Энергия связи ядра. Ядерные силы

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность

(6 – 4)

называют дефектом массы. Энергией связи ядра называют энергию, необходимую для разделения ядра на составляющие его нуклоны, т.е.

. (6 – 5)

Величину энергии связи, приходящуюся на один нуклон, назвали удельной энергией связи ядра.

На (рис.34) усреднено изображена зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов в ядрах химических элементов. Удельная энергия связи ядра ₂Не⁴ составляет и резко отличается от удельной энергии связи ядер водорода и лития. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами . Удельная энергия связи для этих ядер составляет около . Для самого тяжелого природного элемента (урана) Такая характеристика зависимости от делает энергетически возможными два ядерных процесса: деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер и слияние (синтез) легких ядер в одно тяжелое. По современным представлениям всякое ядро есть квантовомеханический объект с дискретным энергетическим спектром. Переходы между стационарными ядерными уровнями сопровождаются поглощением или излучением фотонов, называемых гамма – квантами ( ).

Природа ядерных сил полностью пока еще не выяснена. Ученые предполагают, что ядерные силы являются остаточными силами хромодинамического (сильного) взаимодействия кварков.

Ядерные силы (т.е. межнуклонные взаимодействия) являются силами взаимного притяжения нуклонов они действуют на расстояниях порядка диаметра нуклона ( ), одинаковы для пар протон – протон, протон – нейтрон, нейтрон – нейтрон и обладают свойством насыщения. При этом каждый нуклон взаимодействует с ограниченным количеством других нуклонов. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов и являются силами обменного взаимодействия, т.е. виртуально обмениваются - мезонами.

Природа ядерных сил до конца еще не выяснена.