Физика атомного ядра. Свойства и строение атомных ядер

§1 Заряд и масса, атомных ядер

Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд и масса М.

Z- заряд ядра определяется количеством положительных элементарных зарядов сосредоточенных в ядре. Носителем положительного элементарного заряда р = 1,6021·10^-19 Кл в ядре является протон. Атом в целом нейтрален и заряд ядра определяет одновременно число электронов в атоме. Распределение электронов в атоме по энергетическим оболочкам и подоболочкам суще­ственно зависит от их общего числа в атоме. Поэтому заряд ядра в значительной мере определяет распределение электронов по их состояниям в атоме и положение элемента в периодической системе Менделеева. Заряд ядра равен  q_я = z·e, где z -зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента в системе Менделеева.

Масса атомного ядра практически совпадает с массой атома, потому что масса электронов всех атомов, кроме водородного, составляет примерно 2,5· 10^-4 массы атомов. Массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.).  За а.е.м. принята1/12 масса атома углерода  .

1 ае.м. =1,6605655(86)·10^-27 кг.

m_я = m_a - Z m_e.

Изотопами, называются разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом, но различающееся массой.

Целое число ближайшее к атомной массе, выраженной в а.е.м. называется массовым числом и обозначается буквой А. Обозначение химического эле­мента: А - массовое число, X - символ химического элемента, Z -зарядовое чис­ло - порядковый номер в таблице Менделеева ( ):

Бериллий  ; Изотопы:  , ', .

 

 

 

 

 

 

Радиус ядра:

где А - массовое число.

§2 Состав ядра

Ядро атома водорода  называется протоном

m_{протона} = 1,00783 а.е.м. , .

           

Схема атома водорода

В 1932 г. была открыта частица названная нейтроном, обладающая мас­сой близкой к массе протона (m_{нейтрона} = 1,00867 а.е.м.) и не имеющая электрического заряда. Тогда же Д.Д. Иваненко сформулировал гипотезу о протонно - нейтроном строении ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов и их сумма равна массовому числу А. 3арядовое число Z определяет число протонов в ядре, число нейтронов N =А – Z.

Элементарные частицы - протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, получили общее название нуклонов. Нуклоны ядер находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. Между нуклонами осуществляется особое ядерное взаимодействие. Говорят, что нуклон может находиться в двух «зарядовых состояниях» - протонном с зарядом +е, и ней­тронном с зарядом 0.

§3 Энергия связи ядра. Дефект массы. Ядерные силы

Ядерные частицы - протоны и нейтроны - прочно удерживаются внутри ядра, поэтому между ними действуют очень большие силы притяжения, спо­собные противостоять огромным силам отталкивания между одноименно за­ряженными протонами. Эти особые силы, возникающие на малых расстояниях между нуклонам, называются ядерными силами. Ядерные силы не являются электростатическими (кулоновскими).

Изучение ядра показало, что действующие между нуклонами ядерные силы обладают следующими особенностями:

а) это силы короткодействующие - проявляющееся на расстояниях порядка 10^-15 м и резко убывающие даже при незначительном увеличения рас­стояния;

б)         ядерные силы не зависят от того, имеет ли частица (нуклон) заряд - за­рядовая независимость ядерных сил. Ядерные силы, действующие между нейтроном и протоном, между двумя нейтронами, между двумя протонами равны. Протон и нейтрон по отношению к ядерным силам одинаковы.

Энергия связи является мерой устойчивости атомного ядра. Энергия связи ядра равна работе, которую нужно совершить для расщепления ядра на со­ставляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии

 

 

 

 

 

М_Я < Σ(m_p  + m_n)

Мя - масса ядра

Измерение масс ядер показывает, что масса покой ядра меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов.

Величина

служит мерой энергия связи и называется дефектом массы.

Уравнение Эйнштейна в специальной теории относительности связывает энергию и массу покоя частицы.

В общем случае энергия связи ядра может быть подсчитана по формуле

где Z -  зарядовое число (число протонов в ядре);

А - массовое число (общее число нуклонов в ядре);

m_p,, m_n и М_я - масса протона, нейтрона а ядра

Дефект массы (Δm) равны.й 1 а.е. м. (а.е.м. - атомная единица массы) со­ответствует энергий связи (Е_св), равной 1 а.е.э. (а.е.э. - атомная единица энер­гии) и равной 1а.е.м.·с² = 931 МэВ.