Основы ядерной физики Состав и характеристика атомного ядра.

Атомное ядро характеризуется положительным зарядом, величина которого определяется числом электронов в атоме +Ze. Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре. (Например, атом водорода (Z=1) состоит из одного электрона и одного протона). Z определяет порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева и Z также называют атомным номером ядра. Кроме протонов, в состав ядра входят нейтроны (q=0). Частицы, составляющие ядро атома, (т.е. протоны и нейтроны) называются нуклонами. Сумма нейтронов и протонов называется массовым числом – А. Для обозначения ядер применяется символ . Х – химический символ элемента в таблице Менделеева.

Ядро с одинаковыми Z, но с разными А называются изотопами, например, водород имеет три изотопа, различающиеся числом нейтронов в ядре:

Протон: масса m_p=1836m_e , спин S=1/2

Т.к. масса электрона m_e=0.511МэВ, то m_p=938,28 МэВ (исходя из Е=mс²)

Нейтрон – m_n=1839m_е = 939,57 МэВ_, спин S=1/2

В свободном состоянии нейтрон нестабилен и самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, испуская при этом в электрон и антинейтрино . Период полураспада нейтрона приближенно равен 12 мин.

Размеры ядра любого химического элемента – шар с радиусом R =(1,3 1,7)*10^-15A^1/3м. Объем ядра пропорционален числу нуклонов, т.е. плотность ядерного вещества для разных химических элементов одинакова.

Экспериментальные данные показывают, что большинство ядер имеет массу, меньшую, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра обусловлено тем, что при образовании ядра выделяется энергия. Введем понятие энергии связи ядра – это то количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разложить данное ядро на составляющие его частицы (протоны и нейтроны). Протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, принято называть нуклонами, а их суммарное число в ядре – массовым числом(А). Это же количество энергии должно выделиться при образовании ядра из протонов и нейтронов.

Пусть в ядре содержится Z протонов и N нейтронов, тогда энергия связи, учитывая, что энергия покоя частицы E₀=mc²:

Величина называется дефектом массы ядра. Это величина прямого физического смысла не имеет, но косвенно характеризует энергию связи ядер и позволяет вычислять энергию связи.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи ядра. Она характеризует устойчивость (прочность) ядер. Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро. Наиболее устойчивы ядра, у которых число протонов равно одному из магических чисел (2,8,20,28,50,82,126). Особенно стабильны дважды магические ядра ( ), у которых число протонов и число нейтронов по отдельности равны магическим числам. Чем больше энергия связи, тем устойчивее ядро.

График зависимости удельной энергии связи от массового числа А имеет вид:

40 80

А

Наиболее устойчивые ядра с массовыми числами А из середины таблицы Менделеева (от 40 до 80)

Уран μ=240 г/моль

Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает возможным два процесса: