2.3 Свойства атомного ядра

Важнейшими характеристиками ядра являются их заряд, масса и размеры.

2.3.1 Заряд, число нуклонов и масса ядра

Заряд атомного ядра равняется количеству протонов в ядре, которое совпадает с порядковым номером элемента (Z) в таблице Д.И. Менделеева. Заряды ядер были впервые определены Резерфордом в 1911 г. методом рассеяния альфа- частиц атомными ядрами.

Рис. Эрнест Резерфорд

В результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона.

В 1913 г. Мозли предложил для определения Z более простой способ определения заряда ядра. Исследовав рентгеновские спектры элементов, Мозли установил зависимость частоты н характеристического рентгеновского излучения от порядкового номера элемента Z:

н = const(Z-1)²

Таким образом, экспериментально было установлено, что заряд ядра, выраженный в единицах элементарного заряда, численно совпадает с порядковым номером элемента.

Заряд ядра, в силу нейтральности атома, в свою очередь определяет количество электронов в атоме. Поэтому в конечном итоге можно сделать вывод о том, что химические свойства атома определяются зарядом ядра и не зависят от его массы.

Другой важной характеристикой атомного ядра является его масса.

Массы атомных ядер, выраженные в обычных единицах массы, весьма малы и их обычно выражают в других единицах. В ядерной физике за одну атомную единицу массы (а.е.м.) принята 1/12 часть массы нейтрального изотопа углерода ¹²С, равной 12,000000 а.е.м. Значение а.е.м. в граммах составляет 1,66∙10^-24 г= 1,66∙10^-27 кг. Точные значения атомных масс экспериментально определяются с помощью масс-спектрометрической техники.

Так как, согласно уравнению Эйнштейна,

Е=mc² (2.1)

масса эквивалентна энергии, массу ядра можно выразить вместо атомных единиц массы в единицах энергии, принимая, что

1 а.е.м.=1,4923∙10^-10 Дж=931,5 Мэв.

Массу ядра следовало бы вычислять как сумму масс протонов и нейтронов, которые составляют ядро. Однако точное определение массы ядра показало, что экспериментально полученные значения массы всегда меньше значений, вычисленных как сумма масс частиц, составляющих ядро.

При изучении строения ядра следует различать два понятия: масса ядра, выражаемая в атомных единицах массы (а.е.м.) и число нуклонов А. Число нуклонов А равно сумме протонов и нейтронов в ядре.

А= (p +n) (2.2)

Значения А и Z являются главнейшими характеристиками ядра, определяющими его природу.

И так, символ Z и его числовое значение одновременно обозначают следующие физические величины:

1. Число протонов в атомном ядре;

2. Электрический заряд ядра;

3. Число электронов на всех оболочках атома;

4. Порядковый номер элемента в таблице периодического закона Д.И. Менделеева.

2.3.2 Размеры ядер

Первое измерение размеров ядра было выполнено Резерфордом в 1911 году по рассеянию альфа- частиц на ядрах. В дальнейшем были разработаны и другие методы измерений размеров ядра, но все они основаны на наблюдении рассеяния различных частиц (протонов, альфа-частиц, нейтронов) атомными ядрами.

При анализе опытов по рассеянию заряженных частиц или по поглощению нейтронов под радиусом ядра понимается такое расстояние от его центра, на котором помимо сил кулоновского отталкивания, начинают действовать специфические ядерные силы, вызывающие притяжение частицы к ядру. Проведенные измерения показали, что ядра атомов всех элементов имеют размеры порядка 10^-15−10^-14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома. Все упомянутые методы позволяют определить то расстояние R от центра ядра, в пределах которого действуют ядерные силы.

Если ядро в первом приближении считать шарообразным, то согласно экспериментальным данным, его радиус

R=r₀ МA^1/3, (2.3)

где А – число нуклонов в ядре, r₀ - постоянная величина равная (1,2-1,5) М10^-15м. Если считать, что объем ядра приблизительно равен

V= R³, (2.4)

тогда объем V пропорционален массовому числу –A, стало быть, плотность ядра является константой =A/V, т. е. плотности всех ядер примерно одинаковы. Это указывает на практическую несжимаемость ядерного вещества и плотную упаковку нуклонов в ядре.