Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

29 (0). Состав атомного ядра.

Изотопы и изобары. Энергия связи атомного ядра.

Состав атомных ядер

Ядра состоят из протонов и нейтронов. Электричес- кий заряд протона e = 1.6·10-19 Кл, у нейтрона элек- трический заряд равен 0. Массы протона и нейтро- на почти одинаковы:

mp = 1.6724·10-27кг = 938.3 Мэв, mn = 1.6748·10-27кг = 939.6 Мэв

mn -mp = 1.3 Мэв

Спины протона и нейтрона одинаковы и равны / 2 , т.е. обе эти частицы, так же, как и электрон, явля- ются фермионами. В свободном состоянии протон стабилен, а нейтрон распадается на протон, элек- трон и антинейтрино с периодом полураспада ок. 12 минут. Кварковая структура протона uud, струк- тура нейтрона udd.

Свойства протона и нейтрона по отношению к ядер- ным силам одинаковы; современная физика счи- тает их двумя состояниями одной частицы: нукло- на. Сумма протонов и нейтронов в ядре (т.е. число нуклонов) называется массовым числом:

Внастоящее время известно (существуют в природе или получены искусственно) ок. 3000 ядер с раз- личными значениями Z и A, из них стабильных 268 и 17 "долгоживущих" (долгоживущими называются радиоактивные ядра, период полураспада которых больше, чем 5·108лет, и поэтому они есть в приро- де). Всего стабильных и долгоживущих ядер 285; остальные ядра - радиоактивные, их более 2700.

Число протонов Z равно порядковому номеру эле- мента в таблице Д.И.Менделеева. В настоящее время известны ядра со значениями Z от 0 до 118.

Число нейтронов N может быть различным; ядра с одинаковыми числами протонов, но разными чис- лами нейтронов, называются изотопами. Боль- шинство элементов имеют по несколько стабиль- ных изотопов, рекорд принадлежит олову (Z=50), у которого 10 стабильных изотопов.

Но некоторые элементы (их 24) имеют только по од- ному стабильному изотопу, а элементы с номера- ми Z = 43 (технеций), Z = 61 (прометий), а также все, элементы, начиная с Z = 84 (полоний), не име- ют ни одного стабильного изотопа.

Примеры ядер-изотопов

Общее обозначение: AXZ , где X - символ химическо- го элемента. Иногда пишут так: ZA X

Водород имеет 2 стабильных изотопа (они есть в природе): 1H1 (легкий водород, протий) и 2H1 (тяже- лый водород, дейтерий), а также радиоактивный изотоп 3H1 (сверхтяжелый водород, тритий).

Гелий имеет 2 стабильных изотопа (они также есть в природе): 4He2 (обычный гелий) и 3He2 (легкий ге- лий). Искусственно получены короткоживущие (до- ли секунды) изотопы 6He2, 8He2, 10He2.

Уран имеет 2 нестабильных, но долгоживущих изо- топа (есть в природе): 238U92 (99.3%) и 235U92 (0.7%). Искусственно получены еще 12 изотопов с време- нами жизни от 2.5·105лет до нескольких минут.

Ядра с массовыми числами A = 5, 8, а также все яд- ра, начиная с массового числа A = 211, нестабиль- ны. Ядра с одинаковыми массовыми числами A (но разными Z и N) называются изобарами.

Примеры ядер-изобар

Радиоактивный сверхтяжелый водород тритий 3H1 и стабильный легкий гелий 3He2 ;

Радиоактивный углерод-14 ("радиоуглерод") 14C6 и стабильный азот 14N7;

Радиоактивный (но долгоживущий) калий-40 40K19 и стабильный кальций-40 40Ca20.

Вообще, не существует двух стабильных соседних по заряду ядер-изобар; более тяжелое ядро в каждой из этих пар радиоактивно.

NZ-диаграмма

ядер. Каждому стабильному или долгоживущему ядру соответст- вует точка; сово- купность этих то-

чек образует до-

рожку стабильно- сти. Легкие ядра

следуют линии

N=Z, а для тяже-

лых стабильных ядер N>Z. Пунктиром показаны ли- нии Bn = Bp = 0; между ними находится область еще не открытых 5000-6000 ядер (Bn и Bp - энергии отры- ва нейтрона и протона от ядра).

Энергия связи ядра

Энергией связи называется минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на

составляющие его нуклоны. Если масса измеряет- ся в килограммах, а энергия в джоулях, то:

или:

если и масса, и энергия измеряются в МэВах.

Отношение энергии связи к массовому числу Eсв/A называется удельной энергией связи, или средней

энергией связи на один нуклон (т.е. средней энер- гией, которую надо затратить, чтобы оторвать один

нуклон от ядра).

Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Зависимость удельной энергии связи от массового числа