Содержание

Введение_____________________________________________________3

1. Структура атомного ядра_______________________________________3

• Протон______________________________________________________4

• Нейтрон_____________________________________________________4

• Характеристика атомного ядра __________________________________5

• Спин ядра____________________________________________________7

2. Масса и энергия связи ядра_____________________________________7

3. Природа ядерных сил__________________________________________9

Заключение__________________________________________________15

Источники___________________________________________________16

Введение

В начале XX в. Благодаря опытам Резерфорда возникло представление о том, что в центре атома находится крохотное по своим размерам, но массивное ядро. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие - английскому физику Д.Д. Томсону.

Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты» - электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В атоме Томсона положительное электричество «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И. Менделеева. Позднее Бор указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели атома Резерфорда.

1. Состав и характеристика атомного ядра

У физиков начала XX в. Существовала важная проблема: обладает ли атомное ядро структурой и какой эта струк­тура могла бы быть? Оказалось, что ядро достаточно сложно. Тем не менее в начале 30-х годов была разрабо­тана модель атомного ядра, которая по-прежнему нахо­дит широкое применение. Согласно этой модели, ядро состоит из частиц двух типов — протонов и нейтронов. (Не следует забывать о том, что эти «частицы» обладают волновыми свойствами, но для большей наглядности мы будем говорить о протонах и нейтронах просто как о частицах.) Эти частицы носят назва­ние нуклонов.

Протон.

Протон (р) есть не что иное, как ядро атома водорода. Он обладает зарядом +е и массой

m_р = 938,7Мэв¹. (1.1)

Для сравнения укажем, что масса электрона, выра­женная в единицах энергии, составляет

m_e= 0,511Мэв. (1.2)

Из сопоставления (1.1) и (1.2) следует, чтот_р = = 1836 т._е.

Протон имеет спин, равный половине(s= 1/2), и соб­ственный магнитный момент

μ_p=+2,79μ₀

где Дж/Тл (1.3)

—единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения сДж/Тл вытекает, что в1836 раз меньше магнетона Бора . Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон.

Нейтроном (n) называется не обладающая электрическим зарядом частица ² с массой

т_п = 939,5Мэв, (1.4)

очень близкой к массе протона. Разность масс нейтрона и протона

т_п —т_р составляет 1,3Мэв, т. Е. 2,5 т_е.

Нейтрон обладает спином, равным половине (s = 1/2), и (несмотря на отсутствие электрического заряда) соб­ственным магнитным моментом

μ_n=-1,91 μ₀

(знак минус указывает на то, что направления собст­венных механического и магнитного моментов противо­положны) .

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радио­активен)— он самопроизвольно распадается, превра­щаясь в протон и испуская электрон (е^-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино³(ῦ). Пе­риод полураспада равен ~ 12мин. Схему распада можно записать следующим образом:

n→р + е^-+ ῦ. (1.5)

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса ней­трона, как мы видели, больше массы протона на 2,5 т_е. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (5), на 1,5 т_е, т. Е. на 0,77Мэв. Эта энергия выде­ляется при распаде нейтрона в виде кинетической энер­гии образующихся частиц.

Характеристика атомного ядра.

Ядро атома водорода состоит из одного протона, тогда как ядра атомов других химических элементов содержат и нейтроны, и протоны. Различные типы ядер часто называютнуклидами.Количество прото­новZ,входящих в состав ядра(в состав нуклида), определяет его заряд, который равен +Ze.Число Zназывается атомным но­мером (оно определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева) или за­рядовым числом ядра. Суммарное число нуклонов, т.е. нейтронов и про­тонов, обозначается буквой А и называетсямассовым числом. Такое название это число получило потому, что произведение А на массу отдельного нуклона очень близко к массе ядра. У нуклида с 7 протонами и 8 нейтронами Z= 7 и А = 15. Число нейтронов в ядре N = = А—Z.

Для обозначения ядер применяется символ_ZX^A, где под X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу—атомный номер (Z часто опу­скают).

Большинство химических элементов имеет по не­скольку разновидностей — изотопов, отличающихся значениями массового числа А. Так, например, водород имеет три изотопа:

₁H¹— обычный водород, или протий (Z= 1, N = 0),

₁H²— тяжелый водород, или дейтерий (Z= 1, N=1),

₁H³– тритий (Z=l, N = 2)⁴.

У кислорода имеется три стабильных изотопа:₈O¹⁶, ₈O¹⁷ , ₈O¹⁸ , у олова — десять, и т. Д.

Изотопы представляют собой ядра с одинаковым чис­лом протоновZ.Ядра с одинаковым массовым числом Аназываются изобарами. В качестве примера можно привести ₁₈Ar⁴⁰и. ₂₀Са⁴⁰. Ядра с одинаковым числом ней­тронов N = А — Zносят название изотонов(₆C¹³,₇N¹⁴). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинако­вымиZи А, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеется два изо­мера ядра₃₅Вr⁸⁰, у одного из них период полураспада равен 18мин, у другого — 4,4 часа.

Радиус ядра довольно точно определяется формулой:

r= 1,3 • 10^-13A^1/3см = 1,ЗA^1/3ферми (1.6)

(ферми— название применяемой в ядерной физике еди­ницы длины, равной 10^-13см). Из соотношения (1.6) следует, что объем ядра пропорционален числу нукло­нов в ядре.

В настоящее время известно около 1500 ядер, разли­чающихся Z, либо А, либо и тем и другим. Около ¹/₄ этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы сZот 1 до 92, ис­ключая технеций (Тс,Z= 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu,Z— 94) после получения его искусствен­ным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале — смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. Е. заурановые) элементы (сZот 93 до 104) были получены только искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) по­лучили названия в честь выдающихся ученых П. иМ. Кюри, А. Эйнштейна, Э. Ферми и Д. И. Менделеева. Лоуреисий (103 Lw) назван в честь изобретателяА- лотрона-Э. Лоуренса.

Элемент 104 был получен в 1964 г. В СССР вЛабо­ратории ядерных реакций Объединенногоинститутаядерных исследований в Дубне Г. Н. Флеровыми егосотрудниками путем бомбардировки плутониевойми­шени (Z = 94) пучком ионов ₁₀Ne²² (Z= 10), ускоренных до энергии 115Мэв. Свое название «курчатовий»104-йэлемент получил в честь выдающегося советскогофи­зика И. В. Курчатова.

Рис. 1

Для устойчивых ядер характерно определенноеотно­шение числа нейтронов N к числу протоновZ.У легкихядер это отношение близко к единице. Помереувели­чения числа нуклонов в ядреN/Zрастет, достигаядля урана значения 1,6 (см. рис. 1, на которомпо осиабсцисс отложено массовое число А, по оси ординат — отношение N к Z;точки на рисунке соответствуют от­дельным стабильным ядрам).

Спин ядра.

Спины нуклонов складываются в резуль­тирующий спин ядра. Спин нуклона равен¹/₂. Поэтому согласно квантовым законам сложения моментов кван­товое число спина ядра I будет полуцелым при нечет­ном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер I не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ⁵ ядер (т. Е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Результирующий момент ядра М_I складывается с мо­ментом электронной оболочки М_Jв полный момент им­пульса атома M_F, который определяется квантовым числомF.

С механическими моментами связаны магнитные мо­менты. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответ­ствующие различным взаимным ориентациям М_Iи М_J(т. Е. различнымF),имеют немного отличающуюся энер­гию.Взаимодействием моментов (μ_Lи μ_Sобусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием μ_Iиμ_J определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может на­блюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.