Глава V. Физика атомного ядра

§1. Состав атомного ядра

Советским физиком Д. Д. Иваненко и немецким ученым В. Гейзенбергом в 1932 г. была предложена протон-нейтронная модель, согласно которой ядро любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц протонов р и ней­тронов п, которые впоследствии получили название нуклонов Дальнейшими экспериментальными исследованиями была дока­зана справедливость этой модели, и в настоящее время она явля­ется общепризнанной.

Протоны имеют положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Нейтроны электрически нейтральны.

Масса протона в 1836 раз больше массы электрона.

Масса нейтрона больше массы протона на 2,5 массы элек­трона. Массы нейтрона т_п и протона т_р в углеродной шкале атомных масс (а.е.м.) соответственно равны:

т_п= 1,008665012 а.е.м. = 1,6749.10^-27 кг; т_р=1,007276470 а.е.м. = 1,6726.10^-27 кг

Протон и нейтрон относятся к классу фермионов.

Количество протонов в ядре определяет заряд ядра +Zе. Значение Z совпадает с атомным номером соответствующего химического элемента в Периодической системе Менделеева. Количество нейтронов в ядре обозначают N. Общее число ну­клонов в ядре называют массовым числом ядра:

А=N+Z.

Для обозначения атомных ядер применяют символы. Если X соответствует символу атома химического элемента в Периоди­ческой системе Менделеева, то символ ядра этого атома имеет вид _ZХ ^А.

Ядра, имеющие один и тот же Z при различных А, назы­вают изотопами.

Изотопы ядер химического элемента имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в составе ядра.

Существование изотопов было установлено еще в 1910 г. английским физиком Ф. Содди. У всех химических элементов. На­пример, водород имеет три изотопа: легкий с ядром ₁Н¹ (протий), тяжелый с ядром ₁Н² (дейтерий) и искусственный с ядром ₁Н³ (тритий). У урана (Z= 92) имеется 12 изотопов с мас­совыми числами от А - 228 до А = 239. Все химические элемен­ты представляют собой природные смеси изотопов. Поэтому каждый химический элемент имеет относительную атомную массу, имеющую среднее значение атомных масс всех его изо­топов.

Физические свойства изотопов несколько отличны от ста­бильных элементов. Например, температура кипения протия 20,39 К, а дейтерия 23,57 К.

Ядра, имеющие одно и то же А при разных Z, называют изобарами.

Примером изобарной пары могут быть ₁₆S³⁶ и ₁₈Аг³⁶. Ядро имеет спин, равный век­торной сумме спинов составляющих его нуклонов.

Радиус ядра задается эмпирической формулой R = R₀А^1/3 , где R₀ = 10^-15 м. Из формулы вытекает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов А, входящих в него; это означает, что нуклоны во всех ядрах упакованы при­мерно с одинаковой плотностью. Плотность ядерного вещества велика, и ее значение примерно соответствует  =10¹⁷ кг/м³, т. е. около 200 млн. т в 1 см³.

Перечислим отличительные особенности ядерных сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими - при расстояниях между нуклонами, превышающих при­мерно 2∙10^-15 м, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших 1∙10^-15 м, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.

2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нук­лонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, одинаковы по величине.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.

4. Ядерные силы обладают .свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодей­ствует с ограниченным числом нуклонов).