27/ Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц. Заряд, размеры и состав атомного ядра. Массовое и зарядовое число.

Ядро состоит из протонов и нейтронов – это нуклоны. Заряд протона .. В атоме находитсяZпротонов, гдеZ– порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева. Заряд ядраZe.Z– зарядовое число. Атом электрически нейтрален. Число электронов в атоме равно числу протонов, а от количества электронов зависят физические и химические свойства элемента. Поэтому Число протонов в ядре определяет специфику химического элемента. Заряд нейтрона равен нулю.. Ядро, где- массовое число,Z– число протонов,N– число нейтронов.

Если , то такие ядра называются изотопами. Например,- протий,- дейтерий,- тритий.

Если , то такие ядра называются изобары. Например,.

Радиус ядра . Объем ядра.

Энергия связи и масса ядра. Спин и магнитный момент.

Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить для расщепления ядра на нуклоны.

Масса ядра меньше суммы масс составляющих его частиц. Эта разность называется дефектом массы ядра: . Удельная энергия связи– это энергия, приходящаяся на 1 нуклон. Она зависит от массового числа и определяет устойчивость атомного ядра, т.е. чем больше, тем устойчивее ядро. Из рисунка видно, что наиболее устойчивыми являются ядра из средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие наименее устойчивы. Поэтому выгодны процессы: деление тяжелых на более легкие и слияние легких друг с другом в более тяжелые. При обоих процессах выделяется большое количество энергии. Наиболее устойчивыми являются магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых магическими являются и число протонов, и число нейтронов.

Ядро имеет спин. Он квантуется , гдеI– спиновое ядерное квантовое число. . Если А четное , тоI– целое, если А – нечетное, тоI– полуцелое. Ядро обладает магнитным моментом, где- гиромагнитное отношение ядерных моментов. Ядерный магнетон. Взаимодействие магнитного момента ядра со спиновым и орбитальным магнитными моментами электронов в магнитном поле обуславливает расщепление энергетических уровней и спектральных линий, т.е. сверхтонкую структуру.

Ядерные силы. Модели ядра.

Ядерные силы, т.е. силы взаимодействия между нуклонами, не сводятся к гравитационным, электрическим и магнитным взаимодействиям. Они относятся к классу так называемых сильных взаимодействий. Свойства ядерных сил:

1. ядерные силы имеют характер притяжения

2. они короткодействующие ()

3. это зарядово-независимые силы, т.е. действующие между рр, р и n, nn , они одинаковы по величине

4. обладают свойством насыщения: каждый нуклон взаимодействует с определенным числом нуклонов

5. зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов

6. не являются центральными

Моделей ядра много, каждая из которых описывает вполне определенные свойства ядра, но единой модели нет, т.к.

1. сложный характер ядерных сил

2. невозможность решения уравнения Шредингера для большого числа частиц, из которых состоит ядро.

Капельная модель ядра.

Капельная модель ядра основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости:

1. силы между молекулами в капле жидкости и силы взаимодействия между нуклонами являются короткодействующими

2. в обоих случаях есть тенденция насыщения

3. плотность капли и плотность вещества ядра – постоянные величины.

4. Объем прямо пропорционален числу частиц.

В капельной модели ядро трактуется как электрически заряженная несжимаемая жидкость, подчиняющаяся законам квантовой механики. Эта модель объяснила ряд фактов: характер ядерных реакций, реакцию деления, энергию связи в ядре. Но она не объяснила повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.

Оболочечная модель ядра.

Оболочечная модель предполагает, что нуклоны в ядре располагаются на ядерных уровнях, согласно принципу Паули. Устойчивость ядер зависит от степени заполнения ядерных уровней. Наиболее устойчивыми являются ядра с полностью заполненными оболочками. Эта модель объяснила спины и магнитные моменты ядер, устойчивость и периодичность свойств ядер. Но с появлением новых экспериментальных данных новые свойства не укладываются в старые модели.