Вопрос 3: Заряд ядра, масса ядра, размеры ядра, массовое число. Стабильные и радиоактивные ядра.
Каждый атом обладает отрицательно заряженной электронной оболочкой и положительно заряженным атомным ядром.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами. Если измерять массу ядра в атомных единицах массы, то она должна быть близка к массе протона, умноженной на целое число А, называемое массовым числом.
Массу ядра (в котором сосредоточено 99,95% массы) характеризует массовое число. Массу измеряют в настоящее время с помощью масс-спектрографов, масса связана с энергией по уравнению Эйнштейна (Е=mc2).
Размеры ядра имеют порядок 10-12–10-13 см. Попытки получить представление о точных размерах ядра наталкиваются на значительные трудности. Дело в том, что частицы, из которых состоит ядро, движутся по законам квантовой механики, в основе которой лежит принцип неопределённости Гейзенберга. Вследствие этого поверхность ядра «размыта», и представление о его размерах становится неопределённым.
Существует несколько способов, позволяющих произвести оценку размеров ядра. Разные методы приводят к различным результатам, однако порядок величины во всех случаях остаётся одинаковым.
Первые представления о размерах атомного ядра были получены Резерфордом. Опыт показал, что радиус ядер тяжёлых элементов имеет порядок 10-12 см. Площади геометрических сечений ядер, равные πR2, для большинства ядер близки к величине 10-24 см2. Поэтому в ядерной физике для измерения площадей принимается единица – барн.
В дальнейшем размеры атомных ядер определялись по энергии α-частиц, испускаемых радиоактивными ядрами, по рассеянию нейтронов и электронов на ядрах, по величине энергии связи ядра и другими методами. Наиболее надёжными могут считаться результаты, полученные при изучении рассеяния ядрами нейтронов и электронов. Кратко идея метода заключается в следующем: если длина волны де Бройля для электронов соизмерима с размерами ядер, то при упругом рассеянии электронов на ядрах будет возникать дифракция. Картину этой дифракции можно рассчитать, полагая, что рассеяние электронов происходит на заряженном шаре радиуса R в предположении о равномерном распределении заряда в ядре. Значение R, при котором теория и эксперимент наиболее согласуются друг с другом, принимается за радиус ядра, хотя более строго следует говорить о радиусе распределения электрического заряда в ядре.
Все атомные ядра можно разделить на стабильные и радиоактивные. Стабильные ядра остаются неизменными неограниченно долго, радиоактивные испытывают самопроизвольные превращения.
Радиоактивные (нестабильные) ядра дополнительно характеризуются типом радиоактивного превращения (α – или β – распад, спонтанное деление и др.), временем жизни (Т1/2 (периодом полураспада)), энергией испускаемых частиц, постоянной радиоактивного распада и рядом других специальных свойств, о которых будет упомянуто далее.
Вопрос 4: Элементарные частицы, состав ядра.
Все экспериментальные данные, полученные при исследовании свойств атомного ядра, подтверждают справедливость предположения о протон – нейтронной структуре ядра. В состав любого ядра входят Ζ протонов и N нейтронов. Протон (р) – стабильная элементарная частица с массой покоя mр= 1,000759 а.е.м.= 1,6725⋅ 10-27 кг = 1836,15 mе. Энергия покоя Ео (mp) = 938,3 МэВ. Обладает одним элементарным положительным зарядом, т.е. Ζ = +1. Атом водорода представляет собой ядро, содержащее 1 протон (р), вокруг которого вращается электрон (е-). Если «сорвать» этот электрон (е-), то оставшаяся часть и будет протоном. Поэтому протон часто определяют как ядро водорода. Каждый атом элемента содержит в ядре определенное число протонов, которое постоянно и определяет физические и химические свойства элемента: так, в ядре атома серебра (Ag) их 47, в ядре урана (U) – 92. число протонов в ядре Z называют атомным номером или зарядовым числом. Нейтрон (n) – нейтральная элементарная частица с массой покоя mn = 1, 000898 а.е.м. = 1,6749·10-27кг = 1838,68 mе. Энергия покоя Ео
Протоны и нейтроны ведут себя в любых взаимодействиях одинаково, у них почти идентичны все свойства; разница в заряде. Считается, что это одна и та же частица, но в разных зарядовых состояниях, поэтому для них применяют название нуклоны. Нуклон – общее название для ядерных частиц.