Модуль 25

Глава 18 Атомное ядро

18.1 Состав и характеристика атомного ядра

Состав ядра Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы называют нуклонами.

Протон () обладает положительным зарядоми массой

МэВ (18.1)

или

а.е.м.

В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на . Применяется также единица массы, называемая атомной единицей массы; 1 а.е.м. = 1,66·10^-27 кг или 931,5 МэВ.

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

МэВ. (18.2)

Отсюда .

Протон имеет спин s=1/2 и собственный магнитный момент

, (18.3)

где – ядерный магнетон (единица, в которой измеряют магнитные моменты нуклонов) ,

Ядерный магнетон в 1836 раз меньше магнетона Бора, т.е. собственный магнитный момент протона в 660 раз меньше магнитного момента электрона.

Нейтрон () Его электрический заряд равен нулю, а масса

МэВ (18.4)

или

а.е.м.

Разность масс нейтрона и протона равна

МэВ.

Спин нейтрона s=1/2 и , несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон имеет магнитный момент

. (18.5)

Знак минус означает, что «направления» спина и магнитного момента у нейтрона взаимно противоположны.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен и самопроизвольно распадается по схеме:

,

где – антинейтрино, частица с массой покоя равной нулю.

Период полураспада (время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин.

Характеристика атомного ядра Основными величинами, характеризующими атомное ядро, являются зарядовое и массовое числа. Число равно количеству протонов в ядре и определяет его электрический заряд. Его также называют атомным номером. Массовое числоопределяет число нуклонов в ядре. Число нейтронов в ядре.

Для обозначения ядер применяется символ , где подимеется в виду химический символ элемента, которому принадлежит данное ядро, например,и т.д.

Конкретные атомы с данным числом протонов и нейтронов в ядре принято называть нуклидами.

Нуклиды с одинаковым числом Z, числом протонов, (т.е. принадлежащие одному химическому элементу) называются изотопами. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа .

Водород имеет три изотопа: –обычный водород, или протий (ядро – протон ();– тяжелый водород, или дейтерий (ядро – дейтрон ();– тритий (ядро – тритон ().

Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен и распадается по схеме: .

Известно около 1500 ядер с различными и, а также с различными ии. Из них ¼ устойчивы, остальные радиоактивны. Многие из этих ядер не встречаются в природе, а получены искусственным путем посредством ядерных реакций. В природе встречаются элементы сZ от 1 до 92, исключая технеций () и прометий (Pm, Z=61). Остальные трансурановые элементы (с от 93 до 109) были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

Размеры ядер В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

, (18.6)

где 1фм = 10^-13 см, ферми (фм) – название единицы длины, применяемой в ядерной физике. Из этой формулы вытекает важный вывод: масса ядра, определяемая массовым числом , пропорциональна его объему, поскольку. Следовательно, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова и, как показывает расчет, равна.

Спин ядра Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона ½, поэтому спин ядра может быть как целым, так и полуцелым – в зависимости от числа нуклонов, четного или нечетного.

В основных состояниях всех стабильных ядер . Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т.е. ядер с четными числами протонов и нейтронов) спин равен нулю.