3

1.АТОМНОЕ ЯДРО

1.1. Состав ядра

В1911 году Резерфорд предложил ядерную модель атома: подав-

ляющая часть массы атома сосредоточена в его центральной части в яд-

ре. Ядро весьма мало по размеру. Диаметр атома Dа 10-10 м, диаметр ядра

Dя 10-15 м.

Установлено сложное строение ядра. В 1932 году впервые была вы-

сказана идея о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы получили название нуклонов – "ядерных частиц".

Масса. Масса нуклонов значительно превышает массу электрона.

Так, масса протона mp = 938.28 МэВ = 1836.1 me; масса нейтрона mn = 939.57 МэВ = 1838.6 me (me = 0.511 МэВ = 9.11 10-31 кг).

Разность масс протона и нейтрона равна (mn mp ) = 1.3 МэВ = 2.5 me.

В ядерной физике массу ядерных частиц, ядер, атомов часто измеря-

ют не в килограммах, а в атомных единицах массы (а.е.м.). За одну атомную единицу массы принимают 1/12 часть массы нейтрального атома уг-

лерода, которую, естественно, можно выразить и в килограммах

(1 а.е.м. = 931,502 МэВ = 1.66 10-27 кг). Разность масс нейтрона и протона в атомных единицах массы составляет (mn mp) = 0.00139 а.е.м.

Энергия. Масса определяет имеющийся в частице (ядре, атоме) запас энергии. Это следует из установленной Эйнштейном взаимосвязи меж-

где c скорость света в вакууме.

Поэтому энергия покоя протона, нейтрона и электрона различна.

Отметим, что в ядерной физике, наряду с единицей энергии джоуль, рекомендованной для применения системой единиц измерения СИ, тради-

ционно используется и особая единица измерения энергии электрон-

вольт (эВ).

Один электронвольт равен энергии, приобретаемой электроном, прошедшим ускоряющую разность потенциалов один вольт (1эВ = 1.6 10-19 Дж).

Один электронвольт – малая величина энергии. Поэтому используются бо-

5

Оказалось, что в целом незаряженный электрически нейтрон также имеет магнитный момент n, отличный от нуля и равный

Отношение p / n = – 3/2.

Существование магнитного момента у нейтрона объясняется тем, что

нейтрон обладает сложной неоднородной структурой: в центре его нахо-

дится положительный заряд, а на периферии отрицательный заряд (в це-

лом же сумма зарядов равна нулю).

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (период полураспада примерно 12 мин) – он самопроизвольно распадается на протон, электрон и

1.2. Характеристики ядра

Важнейшей характеристикой ядра является зарядовое число (заряд) Z и массовое число A. Зарядовое число Z равно количеству протонов, вхо-

дящих в состав ядра, заряд которого равен +Ze. Число Z определяет порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева, поэтому его также называют атомным номером ядра. Массовое число A есть суммарное количество нуклонов в ядре. Понятно, что число нейтронов в ядре равно

N = А Z.

Эти характеристики ядра отражают в их символических обозначени-

ях, которые записываются в виде

AZ X ; Z XA

где X – обозначение химического элемента.

Например, для ядер гелия 42He , для ядер урана 23892 U .

Ядра с разными А, но одинаковыми Z называются изотопами.

Большинство химических элементов имеет по нескольку изотопов. Так, например, олово имеет десять изотопов.

Ядра с одинаковым числом А, но различными Z называют изобарами. Ядра с одинаковым числом N, но различными Z называют изотонами.

Существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся периодами полураспада. Они называются изомерами.

6

В настоящее время известно около 350 устойчивых и 2000 неустой-

чивых радиоактивных ядер.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от 1 до 92,

исключая технеций (Tc; Z = 43) и прометий (Pm; Z = 61). Остальные элементы с Z от 93 до 113 были получены искусственно (трансурановые).

Размер ядра. В первом приближении ядро можно считать шаром,

радиус которого довольно точно определяется формулой

где Ф (ферми) название единицы длины, 1 Ф = 10-15м.

Из формулы (1.5) следует, что объем ядра определяется числом нукло-

нов, плотность ядерного вещества (масса единицы объема) во всех ядрах примерно одинакова. Плотность вещества ядер имеет порядок 1017 кг/м3. При такой плотности шар радиусом 200 м обладал бы массой Земли.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра I будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А, целым или нулем при четном А.

Этот факт был решающим при переходе от протонно-электронной к про-

тонно-нейтронной модели ядра. Ядро азота 147 N , если следовать протонно-

электронной модели, должно состоять из 21 частицы и иметь полуцелый спин, так как спин каждой равен 1/2.

Экспериментально измеренный спин ядра азота оказался равен 1,

этот факт получил название "азотной катастрофы". В протоннонейтронной модели ядро азота состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, то есть из четного числа частиц, поэтому его спин должен быть целым.

Для четно-четно стабильных ядер (Z и N четные) спин всегда равен нулю, для нечетно-нечетных ядер (Z и N нечетные) спин целочисленный и отличный от нуля. Например, для 63Li спин равен 3, для остальных ста-

бильных нечетно-нечетных ядер (21H,105B,147 N ) равен 1.

Опыты показывают, что спин ядер I не превышает нескольких еди-

ниц (для известных стабильных ядер 9/2, за исключением ванадия-50, спин которого равен 6). Это указывает на то, что спины нуклонов могут распо-

лагаться антипараллельно.