1.2 Характеристики и строение ядра

Ядро любого атома, кроме атома легкого водорода, состоит из двух типов частиц: Z - протонов и N - нейтронов, причем протоны имеют электрический заряд q = e > 0, а нейтроны электрическим зарядом не обладают. Обобщено эти частицы называются нуклонами. Кроме того, в ядерной физике часто используется слово нуклид. Под словом нуклид понимается ядро атома любого химического элемента с указанными значениями Z и N. В физике атомного ядра, наряду с другими единицами, за единицу массы принята атомная единица массы, сокращенно а.е.м. 1 а.е.м. =1,66 10 -27 кг.

Протон (p) обладает зарядом + е. и массой m_p = 1,67262·10^–27 кг. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc². Так как 1 эВ = 1,60218·10^–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ. Для сравнения укажем, что масса электрона равна m_e = 0,511 Мэв. Следовательно, m_p = 1836,15 m_e Протон имеет спин, равный половине (s = 1/2), и собственный магнитный момент

где

— единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Ядерный магнетон в 1836 раз меньше магнетона Бора μ_Б, т. е. собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитного момента электрона.

Нейтрон (n). Его электрический заряд равен нулю, а масса близка к массе протона

m_n = 1,67493·10^–27 кг  или m_n = 939,56563 МэВ. Нейтрон обладает спином, равным половине (s = = 1/2), и (несмотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

Знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны.

Общее число протонов и нейтронов в ядре A = Z + N, A – массовое число. Массовое число A в основном определяет массу ядра, а также массу атома в целом. Полное число электронов в нейтральном атоме всегда равно порядковому номеру в периодиче- ской таблице элементов, т. е. Z – зарядовому числу. Значит, число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов в ядре. Других частиц в ядре, кроме нуклонов, нет. Условное обозначение нуклида в основном состоянии _z^aX , где X – символ химического элемента.

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической таблице Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. В качестве примера можно привести и . Ядра с одинаковым числом нейтронов N = A — Z носят название изотонов ( ). Радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся периодом полураспада называются изомерами.

Размеры ядер. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

R = R0∙10-13A1/3 см = R0∙A1/3 ферми,

где R₀ = (1,3 ÷ 1,7), 1 ферми = 10^-13 см. Из этого следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра. Спин ядра складывается из спинов нуклонов, и из орбитальных моментов. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому 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 ядер (т. е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Со спином ядра связан магнитный момент. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к дополнительному расщеплению энергетических уровней, в результате чего линии тонкой структуры испытывают в свою очередь расщепление – наблюдается сверхтонкая структура спектральных линий. Это расщепление мало (порядка несколько тысячных нм) и наблюдается лишь с помощью приборов самой большой разрешающей способности.