36. Фізика атомного ядра

36.1. Будова та основні характеристики атомних ядер

Атомне ядро було відкрито в 1911 р. Е .Резерфордом у дослідах по розсіюванню -частинок, що проходять через тонкі шари речовини. Всі атомні ядра складаються із протонів і нейтронів, які вважаються двома зарядовими станами однієї частинки — нуклона. Протон має позитивний електричний заряд, рівний по абсолютній величині заряду електрона; нейтрон не має електричного заряду. Маси протона m_p і нейтрона m_n трохи відрізняються: m_p=1,67210^–27 кг, m_n=1,67510^–27 кг. У вільному стані нейтрон нестійкий і розпадається за час порядку 10  хв. У ядрі нейтрон абсолютно стійкий. Спін нейтрона й протона однаковий і дорівнює 1/2 (в одиницях ћ), тобто ці частинки відносяться до ферміонів.

Протон має магнітний момент, напрямок якого збігається з напрямком спіна, а його значення становить

,

де — одиниця магнітних моментів ядер, що її називають ядерним магнетоном.

Незважаючи на те, що нейтрон електрично нейтральний, він також має магнітний момент

,

де знак «-» указує, що напрямки спіна нейтрона і його магнітного моменту протилежні.

Магнітні моменти нейтрона й протона пов'язані з їх складною внутрішньою структурою.

Протонно-нейтронна (нуклонна) модель була запропонована в 1932 р. Д.Д. Іваненко і розвинена Д. Гейзенбергом. Тепер ця модель загальноприйнята, оскільки вона не суперечить жодному дослідному факту.

Розглянемо на основі цієї моделі основні характеристики атомних ядер.

1. Заряд ядра. Він позитивний і дорівнює Ze, де e — величина заряду протона, а Z — зарядове число, що дорівнює числу протонів усередині ядра (або, що те ж, порядковому номеру хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва). Тепер відомі ядра з Z від 1 до 118.

2. Маса ядра. Масу ядра можна визначити за допомогою мас-спектрометрів — приладів, що розділяють за допомогою електричних і магнітних полів пучки заряджених частинок (звичайно іонів) з різними питомими зарядами q/m.

Масу ядра виражають в атомних одиницях маси (а.о.м.): одна атомна одиниця дорівнює 1/12 маси ядра ізотопу вуглецю C¹², що в одиницях СІ становить 1,6610^–27 кг. Використовуючи відоме співвідношення між масою та енергією W=mc², масу ядер (і особливо масу елементарних частинок) часто виражають в енергетичних одиницях — мегаелектронвольтах (МеВ): 1 а.о. м. =931,5016 МеВ.

Число нуклонів у ядрі A=N+Z, де N — число нейтронів, називають масовим числом. Нуклонам приписується масове число, що дорівнює одиниці, електрону — нульове значення A.

Ядро хімічного елемента позначається , де X — символ хімічного елемента.

Ядра з однаковими Z, але різними A називаються ізотопами. Наприклад, водень має три ізотопи: — легкий водень (або протій),  — важкий водень (або дейтерій ), — надважкий водень (або тритій ).

У цей час відомі близько 300 стійких ізотопів хімічних елементів і близько 2000 штучних (радіоактивних) ізотопів.

3. Розміри ядер. З досить добрим наближенням можна вважати, що ядро має форму кулі з радіусом

R=R₀A^1/3,

де R₀=(1,3...1,7)10^-15 м. Об'єм ядра пропорційний числу нуклонів у ядрі (VR³A), тому густина речовини ядер приблизно однакова. Розрахунки дають значення ρ10¹⁷ кг/м³.

4. Власний момент імпульсу ядра (спін). Залежно від того, парне або непарне число нуклонів входить до складу ядра, його спін може бути як цілим, так і дробовим: S=0, 1/2, 1, 3/2, ..., тому ядра можуть відноситись або до бозонів, або до ферміонів. Спіни більшості нуклонів у ядрі компенсують один одного, розташовуючись антипаралельно, тому спін ядра не перевищує декількох одиниць.

5. Магнітний момент ядра. Між спіном ядра L=sћ і магнітним моментом p_m є зв'язок, що визначається співвідношенням, аналогічним (19.1):

p_m=g_я L,

де g_я — ядерне гіромагнітне відношення.

Магнітний момент ядра обумовлений магнітними моментами нуклонів, що входять до його складу. Значення магнітного моменту ядра можна визначити методом ядерного магнітного резонансу (ЯМР), у принципі аналогічним методу електронного парамагнітного резонансу (ЕПР — див. §  19.2).