Часть 4 Основы физики атомного ядра

11 Строение и свойства атомных ядер

11.1 Атомное ядро

С момента принятия ядерной модели атома вопрос о составе ядра является одним из основных вопросов строения вещества. Правильный ответ физика смогла дать на него по мере накопления сведений о различных свойствах ядер. Важнейшими из них являются данные о заряде, массе и спине ядра.

Заряд ядра определяется числом элементарных зарядов, находящихся в нем. Как известно, ядро обладает положительным зарядом. Носителем же элементарного положительного заряда является протон (обозначается p). Его заряд равен по модулю заряду электрона. Так как атом в целом нейтрален, то заряд ядра определяет и количество электронов в атоме. Распределение электронов в атоме зависит от их количества, следовательно, заряд ядра в значительной мере определяет энергетический спектр атома. В частности, заряд ядра влияет на количество электронов на внешней оболочке, а значит и химические свойства элемента. Заряд ядра равен , где Z – зарядовое число. Зарядовое число совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева.

Поскольку элементарным положительным зарядом обладают протоны, то их наличие в составе ядра с самого начала не вызывало сомнения. Однако измерение масс атомов указывало на то, что в ядре помимо протонов существуют и другие частицы, т.к. при измерениях были обнаружены разновидности атомов с одинаковым зарядом, но разной массой. Эти разновидности атомов одного и того же элемента получили название изотопов. В силу того, что массы атомов гораздо больше массы электронов, то можно утверждать, что масса ядра практически равняется массе атомов. Массу атома принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.). Одна атомная единица массы равна 1/12 массы углерода (1 а.е.м.  1,66  10 ^–27 кг). Целое число, ближайшее к атомной массе, выраженной в а.е.м., называют массовым числом и обозначают буквой A. В настоящее время принято обозначать изотопы химических элементов следующим образом: , где X – символ химического элемента в таблице Менделеева.

Измерения масс атомов позволили обнаружить два существенных факта: во-первых, массы изотопов всех атомов, выраженных в а.е.м., превышают заряды их ядер. По мере увеличения Z это различие становится все больше и больше; во-вторых, масса ядра, выраженная в а.е.м., остается почти целочисленной. В 1932 году была открыта новая частица, масса которой близка к массе протона, а электрический заряд равен нулю. Эта частица получила название нейтрон (обозначается n). Почти вслед за открытием нейтрона Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904-1994) сформулировал гипотезу о протонно-нейтронном строении ядер. Эта гипотеза была подробно развита Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Элементарные частицы – протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, называют нуклонами.

Совершенствование спектральных приборов позволило в 1928 году обнаружить, что каждая из двух близко стоящих спектральных линий натрия ( = 589,0 нм и  = 589,6 нм) расщепляется еще на две. Обнаруженное расщепление получило название сверхтонкой структуры спектральных линий. Паули предположил, что наличие сверхтонкой структуры объясняется наличием у ядер спина. Наличие спина ядра объясняется наличием полуцелого спина как у протона, так и у нейтрона. В случае, если число нуклонов в ядре четное, то оно имеет целый спин. В противном случае, спин ядра полуцелый.

Ядро как частица, обладающая одновременно зарядом и спином, т.е. моментом импульса, характеризуется магнитным моментом.