3. Атомное ядро и элементарные частицы.

3.1. Состав и характеристики атомного ядра.

Любое атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами (сильным взаимодействием). Поскольку нейтроны и протоны имеют почти одну и ту же массу и весьма сходные свойства, их обычно называют нуклонами. Сложные ядра называют также нуклидами (термин “ядро” и “нуклид” равнозначны). Ядра (нуклиды), имеющие одинаковое число протонов, но различные числа нейтронов, называются изотопами.

Протон. Протон (р) обладает зарядом + e и массой

m_p = 938,28 МэВ.

В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на с².

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

m_e = 0,511 МэВ.

Следовательно, m_p = 1836m_e .

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

_р = + 2,79 _я ,

где

_я = eh / 2m_pc = 5,05 10^{ 24} эрг/Гс

- единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. _я в 1836 раз меньше магнитона Бора _Б. Следовательно, собственный магнитный момент протона в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон. Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физиком Д.Чедвиком. Его электрический заряд равен нулю, а масса

m_n = 939,57 МэВ

очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона составляет 1,3 МэВ, т.е. 2,5 m_e .

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

_n =  1,91 _Я .

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

Отношение

_р _n =  3/2.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) - он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e^) и еще одну частицу, называемую антинейтрино (^). Период полураспада (т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схему распада можно записать следующим образом:

n  p + e^ + ^.

Масса нейтрино равна нулю (во всяком случае, пренебрежимо мала по сравнению с массами электрона, протона и нейтрона). Масса нейтрона больше массы протона на 2,5m_e .

Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения, на 1,5m_e , т.е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующих частиц.

Характеристики атомного ядра. Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число Z. Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен + Ze. Число Z определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его также называют атомным номером ядра.

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = А  Z.

Для обозначения ядер применяется символ

где под Х подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу - атомный номер (последний значок часто опускают).

Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Большинство химических элементов имеют по несколько стабильных изотопов.Например, водород имеет три изотопа:

- обычный водород или протий,

- тяжелый водород или дейтерий,

- тритий.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. В природе встречаются элементы с атомными номерами Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43 ) и прометий ( Pm, Z = 61 ). Остальные трансурановые (т.е. за урановые) элементы (с Z от 93 до 107 ) были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

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

R = 1,3 10 ^{ 13} A^1/3 см = 1,3 А^1/3 ферми.

Ферми - название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной 10 ^{ 13} см.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. 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.

Механический момент ядра складывается с моментом электронной оболочки в полный момент импульса атома , который определяется квантовым числом F.

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям и (т.е. различным F), имеют немного отличающуюся энергию. Как уже говорилось раньше, взаимодействием _L и _S обуславливается тонкая структура спектров. Взаимодействием _I и _J определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщепление линий, соответствующее сверхтонкой структуре, порядка нескольких сотен ангстрема.