Глава VII. Ядро атома

§ 7.1. Характеристики ядра атома: состав, размер, стабильность

Согласно современным представлениям, ядра разных атомов являются системой квантовых частиц - нуклонов. Нуклоны бывают в двух состояниях, т.е. ядро состоит из частиц двух видов: протонов-p и нейтронов-n. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона, нейтрон – электрически нейтральная частица. Массы этих частиц очень мало отличаются друг от друга. Масса нуклона превышает массу электрона почти в 1840 раз, так что вся масса атома практически сосредоточена в его ядре. В ядерной физике массу измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.), энергию в мегаэлектронвольтах (МэВ). 1 а.е.м.≈1,66^.10^-27 кг, она составляет 1/12 часть массы изотопа углерода , 1 МэВ=1,6^.10^-13 Дж. Согласно уравнению Эйнштейна E=mc² масса и энергия эквивалентны друг другу, поэтому нередко в ядерной физике массу указывают в единицах энергии. Коэффициент пропорциональности между массой и энергией - квадрат скорости света в вакууме c²=9^.10¹⁶ Дж/кг=931 МэВ/а.е.м. Масса покоя протона m_р=1,0076 а.е.м., масса покоя нейтрона m_п=1,008665 а.е.м , масса покоя электрона m_e=0,00055 а.е.м. или m_р=938,28 МэВ, m_п=939,57 Мэв, m_e=0, 51 МэВ. Протоны и нейтроны, так же как и электроны, имеют полуцелый спин: s=±.

О

Рис.7.1

бозначают ядра символом соответствующего химического элемента в таблице Менделеева - X и указывают его порядковый номер Z и массовое число A: . Число протонов равно Z, число нейтронов равно N=A-Z, и общее число нуклонов равно A. Атомы одного и того же элемента имеют одинаковые Z, т.е. одинаковое число протонов в ядре, а вот A у них может быть различным. Такие атомы называют изотопами и иногда им даже присваивают разные обозначения и разные названия. Примером являются три изотопа водорода, встречающиеся в природе: - протий, - дейтерий, - тритий. У разных изотопов различное число нейтронов в ядре атома. Некоторые элементы имеют множество изотопов. Это приводит к тому, что у некоторых элементов в таблице Менделеева массовые числа заметно отличаются от целых: они указывают массу атома, усредненную по его природному изотопному составу. Разные комбинации A и N соответствуют более 1500 известным ядрам, тогда как химических элементов немного более сотни. Стабильными являются только элементы с порядковыми номерами Z<83, остальные нестабильны, а некоторые из них могут быть получены только искусственно. Из известных ядер устойчивыми являются около 20 %, остальные распадаются вследствие радиоактивности. На рис. 7.1 приведена так называемая дорожка стабильности, где маленькими квадратиками, некоторые из которых сливаются друг с другом, указаны стабильные и долгоживущие ядра. В не слишком тяжелых ядрах, для которых A<40, число протонов равно числу нейтронов. У более тяжелых ядер число нейтронов превышает число протонов тем заметнее, чем массивнее ядро. Гравитационное притяжение нуклонов в ядре пренебрежимо мало по сравнению с кулоновским отталкиванием протонов. Стабильность ядра обеспечивают мощные ядерные силы, радиус действия которых порядка 10^-15 м. Ядерные силы действуют только между ближайшими друг к другу нуклонами. Поэтому по мере увеличения числа протонов все больше нейтронов необходимо для «склеивания» нуклонов, но вследствие малого радиуса действия ядерных сил тяжелые ядра становятся нестабильными, а их максимальная масса ограничена.

Ядро, как и всякая квантовая частица, не имеет строго определенных размеров. Объем ядра пропорционален числу нуклонов А, а его размер (радиус ²) r_я≈10^-15 м. Плотность равна отношению массы к объему, а так как обе эти величины пропорциональны числу нуклонов в ядре, то плотность различных ядер одинакова и равна примерно 10¹⁷ кг/м³.