Фізика атомного ядра та елементарних частинок

IX. Фізика атомного ядра та елементарних частинок §128. Розмір, склад і заряд ядра. Масове і зарядове число

Досліджуючи проходження - частинок з енергією декількаМеВкрізь тонкі пластинки золота, Е. Резерфорд зробив висновок про те, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і електронів, які його оточують. Розмір ядра~м, а розмір атомам.

Атомне ядро складається з елементарних частинок протонів і нейтронів. Протон (р) має позитивний заряд, що до­рівнює заряду електрона, масу спокою, спіні власний магнітний момент, де– ядерний магнетон. Нейтрон (n)- нейтральна частинка з масою спокою, спіномі власним магнітним моментом.Протони і нейтрони називають нуклонами(від латинськогоnukleus– ядро). Загальна кількість нуклонів в ядрі називаєтьсямасовим числом А.До складу ядра входятьZпротонів таNнейтронів, томуA=Z+N.

Атом з певним числом протонів і нейтронів в складі ядра називається нуклідом. Нуклід з ядром в основному стані позначають, деX – символ хімічного елемента з порядковим номеромZ.

Атомне ядро характеризується зарядом Ze, деe – заряд протона,Z – зарядове числоядра.

Зарядове число Zхарактеризує одночасно:

• число протонів в ядрі,

• число електронів в електрично нейт­ральному атомі,

• порядковий номер елемента в періо­дичній системі Менделєєва.

Нині відомі і вивчені близько 1800ядер природних і штучних елементів, які відрізняються абоZ, абоA, абоZіA.

Ядра ,,,... при пев­них значенняхZ,AіNутворюють деякі групи:

ізотопи:; |,,|,,| |,,,|

ізобари:|,,|,|,|

ізотони: |,,|,|

дзеркальні ряди:|,|,|,|

ізомери: різні періоди піврозпаду,.

Радіус ядра визначається емпіричною формулою:

, дем.

Радіус ядра, враховуючи його розмитість, визначається в певних межах. З формули видно, що радіус ядра пропорційний до кількості нуклонів. Отже, густина ядерної речовини є приблизно однакова для всіх ядер .

Прилади високої роздільної здатності дозволили виявити надтонку структуру спектральних ліній ядерного випромінювання. Існування такої структури було пояснено наявністю у ядер власного моменту імпульсу (спіну) та відповідно магнітного моменту.

Власний момент імпульсу ядра – спін ядра – складається із спінів нуклонів та орбітальних моментів імпульсу нуклонів. Обидві ці величини є векторними, тому спін є їх векторною сумою. Спін ядра квантується за законом: ,

І– спінове ядерне квантове число (або спін ядра), яке набуває цілі або напівцілі значення0,,1,. Ядра з парним значен­нямАмають цілий спін, ядра з непарним – напівцілий спін.

Атомне ядро, крім спіна, має маг­нітний момент . Магнітний момент зв’язаний зі спіном співвідношенням

,

де – коефіцієнт пропорційності, який називаєтьсяядерним гіромагнітним відношенням.

Оскільки ядерний магнетон в 1836 разів менший, ніж магнетон Бора, то магнітні властивості атома, переважно, визначаються магнітними властивостями елек­тронів.

Протони і нейтрони розміщуються таким чином, що їх спіни і магнітні момен­ти взаємно компенсуються. Відмінні від нуля спіни існують лише у ядер які складають з непарної кількості протонів або нейтронів.

Атомне ядро є квантово-механіч­ною системою, яка має значну кількість різних квантових станів. Квантові стани характеризуються енергетичними рівнями ядра, які можуть набувати лише дискретні значення . Таку систему певних енергетичних рівнів називають енергетичним спектром ядра (рис. 333). Якщо на ядро не діють зовнішні сили, то воно знаходиться в основ­ному стані – на найнижчому енергетичному рівні, який приймають за початок відліку. Вертикальні стрілки на рис. 333, напрямлені зверху вниз, показують переходи між енергетичними рівнями з випромінюванням– квантів.

Якщо ядро отримує певну порцію енергії, воно переходить у збуджений стан на вищий енергетичний рівень. Середній час життя ядра у збудженому стані дорів­нює . Після перебування у збудженому стані ядро переходить на один із рівнів, з меншою енергією або зра­зу в основний стан, випромінюючи один– квант або послідовно декількаквантів.

Чим більше нуклонів у складі ядра і чим вища енергія збудження, тим менша середня відстань між рівнями.

Маса і енергія є важливими характеристиками атомного ядра, зміна яких визначає характер перебігу будь-яких ядерних процесів. Застосування законів збереження маси і енергії дозволяє проводити розрахунок ядерних взаємодій.

Масу атомів і ядер в ядерній фізиці виражають в атомних одиницях маси (а.о.м.). За атомну одиницю маси приймається частина маси атома вуглецю.. Згідно із співвідношенням Ейнштейнамасу атомів визначають також в одиницях енергії:.