3 Атомное ядро.

3.1.Состав ядра. Характеристики ядра.@

Как было показано ранее, любой атом состоит из ядра и двигающихся вокруг него электронов. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, обозначаемых символамиpиn. Протон имеет массу в 1836 раз большую массы электрона и положительный заряд, равный заряду электрона. Нейтрон имеет массу близкую к массе протона, заряда у него нет. Обе эти частицы имеют одинаковый спин. Эти частицы часто называют нуклонами (т.е. ядерные частицы).

Ядра атомов характеризуется зарядом, массой, спином, радиусом и рядом других параметров. Количество нуклонов в ядре называют массовым числом А, а количество протонов называют зарядовым числом ядра Z, оно равно числу электронов в соответствующем атоме и атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Количество нейронов в атомном ядреN=A-Z. Ядро элемента X обозначают условно как, например ядро кислорода. Аналогично обозначают протоныи нейтроны. Атомные ядра с одинаковымиZ, но различными А называются изотопами. В среднем на каждое значениеZприходится около трех стабильных изотопов. Например,являются стабильными изотопами ядраSi, а дейтерий и тритийявляются стабильными изотопами ядер водорода. Кроме стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы, для которых характерно ограниченное время жизни. Свойства стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго, нестабильные же ядра испытывают различного рода превращения. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с одинаковым числом нейтронов - изотонами.

3.2.Модели ядра: капельная, оболочная. Ядерные силы.@

К настоящему времени еще нет последовательно законченной теории ядра, которая объясняла бы все его свойства. Это связано в основном с двумя трудностями: с недостаточностью наших знаний о силах взаимодействия нуклонов в ядре и с тем, что каждое атомное ядро - это квантовая система большого количества сильно взаимодействующих частиц. Поэтому в теории атомного ядра очень важную роль играют модели, достаточно хорошо описывающие определенную совокупность ядерных свойств и допускающие сравнительно простую математическую трактовку. При этом каждая модель обладает, естественно, ограниченными возможностями и не претендует на полное описание ядра. Наиболее популярны две основные модели ядра: капельная и оболочная.

1. Капельная модель является простейшей моделью, в ней атомное ядро рассматривается как капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью (~10¹⁴г/см³). Капельная модель позволила вывести полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра и помогла объяснить ряд других явлений, в частности, процесс деления тяжелых ядер.

2. Оболочная модель является более реалистичной, в ней считается, что каждый нуклон движется в усредненном поле остальных нуклонов ядра и, в соответствии с этим, имеются дискретные энергетические уровни нуклонов, заполненные с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненные оболочки образуют наиболее стабильные ядра, таковыми являются ядра, в которых количество нуклонов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа и соответствующие им ядра называют магическими.

Наблюдаемая в природе стабильность ядер означает, что взаимодействие нуклонов в ядре не может быть сведено к электрическому или гравитационному взаимодействиям. Действительно, между протонами в ядре действуют кулоновские силы отталкивания и гравитационные силы притяжения, но, согласно расчетам, силы притяжения намного меньше сил отталкивания и протоны не могут быть удержаны ими в ядре. Следовательно, в атомных ядрах между нуклонами должно иметь место особое взаимодействие. Это взаимодействие называют сильным ядерным. Ядерные силы – это фундаментальные (основные) силы, действующие между нуклонами и удерживающие их в ядре.

У ядерных сил имеются следующие отличительные особенности:

1. ядерные силы – это силы притяжения, ядерных сил отталкивания не существует;

2. по сравнению с электромагнитными силами они в сотни раз сильнее;

3. эти силы являются короткодействующими и действуют только в пределах ядра (на расстояниях 10^-14м.);

4. они обладают зарядовой независимостью, что проявляется в одинаковости сил взаимодействия различных нуклонов;

5. эти силы не являются центральными, то есть они не действуют вдоль прямой, проходящей через центры взаимодействующих нуклонов;

6. ядерные силы зависят от ориентации спинов нуклонов;

7. обладают свойством насыщения, что проявляется в слабой зависимости энергии взаимодействия, приходящейся на один нуклон, от общего числа нуклонов, это связано с тем, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с примерно одинаковым числом ближайших нуклонов.