Ядерная физика

51.Состав и характеристика атомного ядра

Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов и нейтронов. Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя m_p=1,6726•10^-27 кг 1836m_e, где m_e — масса электрона. Нейтрон (n) — нейтральная частица с массой покоя m_n=1,6749•10^-27кг 1839m_e,. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus — ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А. Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где е — заряд протона, Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z=1 до Z=107. Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: ^A_ZХ, где X — символ химического элемента, Z — атомный номер (число протонов в ядре), А — массовое число (число нуклонов в ядре). Сейчас протонно-нейтронная модель ядра не вызывает сомнений. Рассматривалась также гипотеза о протонно-электронном строении ядра, но она не выдержала экспериментальной проверки. Так, если придерживаться этой гипотезы, то массовое число А должно представлять собой число протонов в ядре, а разность между массовым числом и числом электронов должна быть равна заряду ядра. Эта модель согласовывалась со значениями изотопных масс и зарядов, но противоречила значениям спинов и магнитных моментов ядер, энергии связи ядра и т. д. Кроме того, она оказалась несовместимой с соотношением неопределенностей. В результате гипотеза о протонно-электронном строении ядра была отвергнута.

(Z-зарядовое число=заряду ядра=№ в таблице Менделееве, А- массовое число)

-радиус ядра,

Атомное ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов и не имею­щих электрического заряда нейтронов. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Протон и нейтрон являются двумя зарядовыми состояниями ядерной частицы, которая называется нуклоном. Количество прото­нов в ядре Z (заряд ядра Ze) совпадает с атомным номером со­ответствующего химического элемента в периодической сис­теме Менделеева (VI.2.9.Г). Количество нейтронов в ядре обозначается N. Для всех ядер N^Z (за исключением }Н, ЦНе (п. 2°)). Для легких ядер, находящихся в первой половине периодической системы Менделеева, NlZ-zz 1; ядра атомов химических элементов, находящихся в конце пе­риодической системы, перегружены нейтронами —для них N/Zfv 1,6.

2°. Массовым числом ядра А называется общее число нук­лонов в ядре: Л=2+А/. Символ для обозначения ядра: |Х, где X — обозначение атома данного химического эле­мента в периодической системе Мендлеева. Ядра с одним и тем же зарядом Ze, но с разными А, называются изото­пами. Изотопы ядер данного химического элемента имеют разное число нейтронов в ядре. Примеры: изотопы водорода: JH, (или iD — дейтерий), JH (или — тритий); изото­пы гелия: |Не, |Не; изотопы урана: sI⁶U, ifU.

Существует около трехсот устойчивых и около двух тьь сяч неустойчивых (радиоактивных) изотопов всех извест­ных химических элементов.

3°. Масса атомного ядра практически совпадает с массой всего атома, ибо масса электронов в атоме мала. Масса элект­рона *) т_е составляет 1/1836 от массы протона /и,,.

Все сведения о массах, приведенные в главе 4, относятся к массам покоя (V.4.10.3°), если нет специальных оговорок.

Массы нейтрона т_л и протона m_v в углеродной шкале атомных масс (а. е. м.) (VII.7.1°):

т_а = 1,00865017 (37) а. е. м., т₉ = 1,007276470 (11) а. е м

Числа в круглых скобках представляют собой средне­квадратичные погрешности в последних цифрах.

Массовые числа нейтрона и протона одинаковы и равны единице.

Массы атомов измеряются в специальных атомных еди­ницах массы (VII.7.Г).

У каждого химического элемента существует, в боль­шинстве случаев, постоянное процентное содержание раз­личных изотопов. Химически чистые элементы представ­ляют собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга относительными атомными массами (VI 1.4.3°). Поэтому каждый химический элемент имеет относительную массу, представляющую собой среднее значение относительных атомных масс всех его изотопов. Относительные атомные массы химических элементов в ряде случаев заметно отли­чаются от целых чисел.

4\ Ядро имеет спин — собственный (внутренний) мо­мент количества движения (момент импульса) (ср. 111.6.1.5"). Он складывается из спинов отдельных нуклонов. Спин каж­дого нуклона равен Й/2. Спин ядра, состоящего из четного числа нуклонов, является целым числом (в единицах fi) или нулем. Спин ядра, состоящего из нечетного числа нук­лонов, является полуцелым (в единицах ft).

5°. Атомное ядро не имеет резко выраженных границ. Это связано с тем, что нуклоны обладают волновыми свойст­вами (VI. 1.1.3°). Поэтому размер ядра имеет условный смысл *). Объем ядра пропорционален числу нуклонов Л в ядре. Если считать ядро сферой радиуса R, то R вычис­ляется по эмпирической формуле

R = R_tA«*, где £, = ( 1,3-М,7).10-»м.

Наиболее тяжелые ядра, например ядро урана, имеют ра­диусы, приближающиеся по порядку величины к Ю^-*⁴ м.

6°. Средняя плотность р ядерного вещества определяется формулой

_ ^м« ^р ~ (4/3)я/?⁹'

Это относится также и к размерам атома, ибо электроны, движущиеся в атоме относительно ядра, тоже обладают волновыми свойствами.

Здесь М₉ — масса ядра. Если //?„ — масса нуклона *), то М_я=т„А. Средняя плотность ядерного вещества по­стоянна и не зависит от числа А нуклонов в ядре; р= = 1,3-10¹⁷ кг/м³. Колоссальная средняя плотность р не идет ии в какое сравнение с обычными плотностями веществ, со­стоящих из атомов химических элементов и их соединений.