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.