Лекция № 8 Физика атомного ядра и элементарных частиц
Состав атомного ядра
Ядра атомов состоят из двух видов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.
Протон,
как мы уже знаем, есть ни что иное, как
ядро атома водорода. Он обладает зарядом
и массой
МЭВ
(в ядерной физике массу выражают в
единицах энергии, умножая ее на с2
. 1,66* 10-24
г ≈ 931 МЭВ).
Нейтрон –
это частица, не обладающая электрическим
зарядом, с массой
МЭВ. Масса нейтрона очень близка к массе
протона. В свободном состоянии нейтрон
радиоактивен. Он самопроизвольно
распадается, превращаясь в протон, и
испускает электрон и антинейтрино
.
Заряд и масса ядра
Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд и масса. Количество протонов, входящих в состав ядра, определяет его заряд. Следовательно, заряд ядра равен Ze, где Z – порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. В ядерной Физике число Z называется атомным номером элемента.
Ранее мы ввели
понятие массового числа, понимая под
этим атомный вес элемента, округленный
до ближайшего целого числа. Большинство
химических элементов имеет по нескольку
разновидностей, имеющих одинаковый
заряд и отличающихся значениями массового
числа. Эти разновидности носят название
изотопов.
Так, например, у водорода имеется три
изотопа: обычный водород
,
дейтерий
и тритий
.
Ядра с одинаковым
массовым числом, но с разными зарядами,
называются изобарами.
Изобарами
являются
и
.
Ядра, имеющие
одинаковые заряды и массовые числа, но
отличающиеся между собой периодом
полураспада, называются изомерами.
Так, например, имеется два изомера ядра
.
У одного из них период полураспада
составляет 18 мин., а у другого – 4,4 часа.
Массовое число определяет число нуклонов в ядре, т.е. суммарное число протонов и нейтронов. Количество протонов, содержащихся в ядре, равно атомному номеру элемента. Следовательно, число нейтронов, содержащихся в ядре, равно N = A – Z.
Ядра с одинаковым
числом нейтронов носят название изотонов.
Примером их
могут служить ядра
элементов
,
и т.д.
Масса атомного ядра практически совпадает с массой всего атома, т.к. масса электронов, содержащихся в атоме, ничтожно мала. Массу атомов измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.).
1 а.е.м. = 1/16 массы атома кислорода = 1,6597 *10 -27 кг.
Помимо атомной единицы массы, в настоящее время применяется унифицированная атомная единица массы. Обозначается , как у.а.е.м.
1 у.а.е.м. = 1/12
массы изотопа углерода
= 1,66 *10 -27
кг.
Спин и магнитный момент ядра
Спины нуклонов
складываются в результирующий спин
ядра. Спин нуклона равен
.
Следовательно, спин ядра, состоящего
из четного числа нуклонов, является
целым числом, которое кратно
.
Спин ядра, состоящего из нечетного числа
нуклонов, равен полуцелому числу
.
Спины ядер, в общем случае, не превышают нескольких единиц. Это говорит о том, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно.
Атомные ядра, помимо спина, обладают магнитным моментом. Магнитный момент ядра, складываясь с моментом электронной оболочки, дает полный момент импульса атома. В результате взаимодействия магнитного момента ядра с моментом электронной оболочки наблюдается сверхтонкое расщепление спектральных линий. По наблюдаемому на опыте соотношению интенсивностей этих линий можно определить магнитный момент ядра. Величина его оказалась равной (1,41049 ± 0,00013)*10 – 26 Дж/Тл. Для сравнения следует отметить, что магнитный момент электрона в 657 раз больше магнитного момента ядра.
Для ядер, которые содержат четное число электронов, спины электронов внутри ядер попарно компенсируются. Для ядер, у которых число электронов нечетное, такую компенсацию получить нельзя. Вместе с тем, соотношение величин магнитных моментов ядра и электронов в таких веществах такое же, как и в веществах, имеющих четное число электронов.
Эти противоречия были разрешены в результате открытия нейтрона. В1934 г. Д.Д. Иваненко высказал гипотезу о том, что атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов. Эта же гипотеза была высказана Гейзенбергом и подробно разработана им количественно.
Представление о протонно-нейтронном составе атомных ядер подтверждено большим количеством экспериментального материала и в наши дни является общепризнанным. Такая модель ядра показывает, что в отличии от протона , магнитный и механический моменты нейтронов, направлены в противоположные стороны. Магнитные моменты протона и нейтрона по порядку величины сравнимы между собой. Поэтому ядра, построенные из нуклонов, должны иметь магнитные моменты такого же порядка величин. Опыты подтверждают это.