Глава 21. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц Заряд, размер и состав атомного ядра. Массовое и зарядовое числа

Протонно-нейтронная модель строения ядра была предложена в 1932 г. советским ученым Иваненко Д.Д. и немецким физиком В.Гейзенбергом почти одновременно.

В этой модели ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. По этой модели все ядра атомов состоят из элементарных частиц: протонов (р) и нейтронов (n), которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы нуклона.

Заряд протона – положительный, численно равный заряду электрона 1,6 10^-19 Кл. Нейтрон не имеет заряда. Масса покоя протона в 1836 раз больше массы покоя электрона, масса нейтрона больше массы протона на 2,5 массы электрона. Протон и нейтрон имеют полуцелый спин и относятся к классу частиц фермионов.

Зарядом ядра называют величину Ze, где е – элементарный заряд .Z – зарядовое число равное порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева, означающее число протонов ядра. В настоящее время известны элементы с Z от 1 до 107. Буквой N обозначают число нейтронов в ядре. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А:

A = N + Z.

Для обозначения атомных ядер применяют символы. Если Х – символ химического элемента, то символ ядра илиили. Для большинства ядерN≥Z. Для легких элементов ≃ 1, для тяжелых (в конце периодической таблицы) ≃ 1,6. Ядра с одинаковым зарядовым числом Z, но с различными массовыми числами А называются изотопами. У изотопов в ядре содержаться различное число нейтронов.

Так у водорода имеются 3 изотопа: - протий (чаще просто водород)Z=1, N=0, A=1;

- дейтерий Z = 1, N = 1, A = 2;

- тритийZ = 1, N = 2, A = 3.

У олова 10 стабильных изотопов. У урана (Z = 92) имеется 12 изотопов с массовыми числами от 228 по 239. В природном уране содержится в основном 2 изотопа (0,7 %) и(99,3 %).

Ядра с одним и тем же массовым числом А но различными зарядовыми числами Z называют изобарами. Например, ядро изотопа серы и ядро изотопа аргонаявляются изобарами. Существуют также изобарные триады:,,. В природе существуют около 300 устойчивых (стабильных изотопов) и около 1000 искусственных (радиоактивных).

Ядро имеет собственный момент импульса (спин), равный векторной сумме спинов входящих в него нуклонов. Под спином понимается спиновое квантовое число. Для протонов и нейтронов оно равно 1/2, а магнитное спиновое квантовое число m_Z = ± 1/2. Для вычисления спина ядра имеет значение четность или нечетность чисел Z и N. У четно-четных ядер спины в основном состоянии равны нулю. У нечетно- нечетных - спины имеют целочисленные значения. У четно-нечетных – полуцелочисленные значения 1/2; 3/2; 5/2 и т.д.

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, суммой которых определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов служит ядерный магнетон μ_яд, аналогичный магнетону Бора

; ,

где m_p – масса протона. Видно, что ядерный магнетон в 1836,5 раз меньше магнетона Бора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами электронов.

Магнитный момент протона μ_p и нейтрона μ_n равны

μ_Р = + 2,79 μ_яд,

μ_n = - 1,91 μ_яд,

μ_яд = 5,05·10^-27 А·м².

Нейтральные частицы не должны иметь магнитного момента, но экспериментально установлено, что нейтрон обладает магнитным моментом, вектор которого имеет направление противоположное вектору механического момента, на что указывает знак “-“. Вероятно нейтрон, электрически нейтральная частица, имеет в своей структуре заряды обоих знаков и магнитные моменты отрицательных зарядов больше магнитных моментов положительных.

Собственный момент импульса L_яд – спин ядра, равен

,

где l - внутреннее (полное) спиновое квантовое число

и т.д. Ядра с четными числами А имеют полуцелый спин и подчиняются статистике Ферми-Дирака.

Вследствие того, что нуклоны обладают волновыми свойствами, атомное ядро не имеет резко выраженных границ. Под радиусом ядра подразумевают минимальный размер области действия ядерных сил, который установлен в экспериментах и составляет

R = R₀ · A^1/3, где R₀ = (1.3 ÷ 1,7) 10^-15 м.

Нуклоны в ядре упакованы примерно с одинаковой плотностью. Плотность ядерного вещества весьма велика. Ее значение по порядку величины равна 2·10¹⁷ кг/м³ , т.е. масса 1 см³ ядерного вещества равна 200 млн. т.