Вопрос 2. Состав атомного ядра. Нуклоны и их взаимопревращаемость.

Ядра атомов химических элементов состоят из двух видов частиц – протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена в 1932 г. одновременно и независимо физиками Иваненко и Гейзенбергом.

Масса протона =1836 . Собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона. Масса протона составляет 1,673∙кг, или 1,00728 а.е.м.

Протон обладает зарядом +е, имеет спиновое число, равное половине (s=) и собственный магнитный момент

,

где =eh/(2)=5,05∙- ядерный магнетон.

Протон относится к числу стабильных элементарных частиц.

Нейтрон имеет массу ∙кг, не обладает электрическим зарядом и, также как и протон, имеет спиновое число s = . Магнитный момент нейтрона = -1,91. Знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, испуская электрон

(-е) и еще одну частицу, называемую антинейтрино ():

. (22.1)

Его период полураспада равен, примерно, 12мин.

Масса антинейтрино пренебрежимо мала по сравнению с массами частиц, фигурирующих в правой части уравнения (22.1). Масса нейтрона больше массы протона на 2,5. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц в правой части (22.1) на 1,5 m_e , т.е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число . Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, равный +. Числоопределяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N=A - Z.

Для обозначения ядер применяется символ , где подХ подразумевается химический символ данного элемента. Ядра с одинаковым числом Z называется изотопами. Большинство химических элементов имеют по нескольку стабильных изотопов. Например, водород имеет три изотопа: ;;. Изотопрадиоактивен. У кислорода имеется три стабильных изотопа:;;; у олова – десять и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученныхрадиоактивных изотопов.

Ядра с одинаковыми массовыми числами А называются изобарами

(;). Ядра с одинаковым числом нейтроновN=A-Z носят название изотонов (;). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A, отличающимися периодом полураспада ().Они называются изомерами. Например, имеются два изомера этого ядра, у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого − 4,4 часа.

В природе встречаются элементы с атомными номерами Z от 1 до 92, исключая технеций () и прометий (). Плутоний () в небольших количествах обнаружен в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т.е. заурановые) элементы сZ от 93 до 118 были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций. Следует отметить, что ядра всех трансурановых элементов являются короткоживущими, т.е. их период полураспада исчисляется долями секунды. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой:

Ферми, (22.2)

(Ферми – единица длины в ядерной физике, равная м). Из формулы

(22.2) следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова. Соотношение (22.2) получено на основе опытов по рассеянию электронов высоких энергий на ядрах.

Протоны и нейтроны являются фермионами, т.к. имеют спин ħ/2. Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра:

,

где I – внутреннее (полное) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ) и подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна (ядра – бозоны). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ) и подчиняются статистике Ферми–Дирака (т.е. ядра – фермионы).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра P_mяд в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ_ЯД:

.

Ядерный магнетон в m_p/m_e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что в основном магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

Между спином ядра L_яд и его магнитным моментом имеется соотношение:

P_mяд = γ_яд L_яд ,

где γ_яд – ядерное гиромагнитное отношение.