Лекция 13. Элементы физики атомного ядpа Состав и характеристика ядра

Согласно современным представлениям атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые называются нуклонами.

1. Протон обладает зарядом +е и обозначается . Является стабильной частицей с временем жизни лет и массой кг. В ядерной физике масса элементарных частиц, как правило, указывается в , для чего умножается на , тогда .

Применяется также единица массы, называемая атомной единицей массы , тогда

Для сравнения масса е . Протон имеет собственный спин и собственный магнитный момент.

2. Нейтрон обозначается . Был открыт в 1932 г. английским физиком Д. Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса очень близка к и . Нейтрон обладает спином и собственным магнитным моментом, несмотря на отсутствие заряда.

3. Основные характеристики ядра. Заряд ядра определяется количеством p и характеризуется зарядовым числом Z (порядковый номер элемента в таблице Менделеева). Количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре численно равно массовому числу А. Число нейтронов в ядре N = A-Z.

Для обозначения ядер применяется символическая запись:

, где n = количество нейтронов.

Ядра с одинаковым Z, но разными А называются изотопами. Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных изотопов. Например, у водорода их три: - обычный водород, протий, - тяжелый водород, дейтерий, - тритий. Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Ядра с одинаковым массовым числом называются изобарами, а с одинаковым числом нейтронов изотонами.

4. Радиус ядра зависит от числа содержащихся в нем нуклонов. Опыты показывают, что средняя плотность нуклонов для всех ядер приблизительно одинакова, поэтому объем ядра ~ массовому числу и

, (13.1)

где м, так как , то

5. Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра, который квантуется по закону:

, (13.2)

где I = 0, , 1, – спиновое ядерное квантовое число (спин ядра). Квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном А и целым или нулем при четном А. Спины ядер не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т.е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра складывается с моментом электронной оболочки в полный момент импульса атома. Атомное ядро обладает магнитным моментом. Магнитный момент ядра и спин связаны соотношением , где - ядерное гиромагнитное отношение. Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон . Ядерный магнетон в раз меньше , поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами электронов. Во внешнем магнитном поле наблюдается расщепление уровней энергии атома на близко расположенные подуровни (сверхтонкая структура), обусловленное взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем электронов в атоме.