1.1. Основы ядерной физики.

1.1.1 Атом. Ядро. Понятие «элемент», «нуклид». Свойства ядерных сил.

Наименьшей полной структурной частицей сложного, в общем случае, вещества, сохраняющей все его физико-химические свойства является молекула. В молекуле составляющие ее частицы элементов – атомы – образуют пространственную структуру, которая наряду с составом определяет свойства вещества.

Наименьшей частицей, сохраняющей все свойства химического элемента, является атом.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, которое фактически определяет физические свойства элемента, и электронных оболочек, внешняя – валентная – из которых, во многом, определяет химические свойства элемента.

Экспериментальный размер атома ~10^-8 см, радиус ядра ~10^-13 см оценивается по формуле Ra≈1,21*10^-13 *(A) ^1/3,

где А – масса атома (а.е.м.), величина R_n≈ 21,1*10 ^-13 см – оценочный эффективный радиус нуклона.

Электрон − квазистабильная (время жизни τ→∞) в свободном состоянии отрицательно заряженная элементарная частица с массой m_е=9.1094.10^-28 г≈4.485.10^-4 а.е.м. и условным отрицательным единичным зарядом q_e=1.6022 .10^-19 Кл.

Экспериментально установлено, что любое атомное ядро _Z^AX состоит из нейтронов и протонов, называемых нуклонами. Протон − положительно заряженная элементарная частица с массой покоя m_p=1,672614⋅10^–24 г = 938,28 МэВ≈1836m_e≈1 а.е.м. и зарядом, равным по величине заряду электрона. Протон − это ядро атома водорода ₁¹Н.

Нейтрон − нейтральная нестабильная в свободном состоянии элементарная частица с массой покоя m_n=1.67439.10^-24 г=939,57 МэВ≈1838,6m_e≈1 а.е.м. (m_n>m_p примерно на 2,5m_е). Вне ядра нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино (β⁻- распад) с периодом полураспада 600–1000 с. По современным представлениям нейтроны и протоны в ядре с огромной быстротой обмениваются виртуальными частицами с массой 200–300m_e, называемых π -мезонами или пионами.

Число протонов, равное зарядовому числу Z, определяет положение элемента в Периодической таблице Менделеева, т.е. его название, символ (можно сказать – элемент с Z=92, а можно просто – уран U).

Массовое число А определяет выраженную в атомных единицах массы (а.е.м.) массу элемента, а также число нейтронов (А-Z) в ядре.

1 а.е.м. = 1,660566.10^-24 г. – 1/12 массы изотопа (ядра) углерода-12 ¹²С.

Атом с конкретными значениями Z и А ядра называют нуклидом данного элемента. Различают изотопы, изотоны и изобары.

Изотопы – ядра атомов с одинаковым числом протонов Z, но разным числом нейтронов (А-Z), по своим химическим свойствам изотопы одинаковы. Например водорода три изотопа: обычный водород или протий ₁¹H, тяжелый водород или дейтерий ₁²H =₁²D, и тритий ₁³H=₁³T.

Химическим элементом называется множество изотопов с одинаковым зарядом ядра. Изотоны – ядра с одинаковым числом нейтронов (А-Z), но разным числом протонов Z, например, ₂⁵He и ₃⁶Cr.

Изобары – ядра с одинаковым массовым числом А, но разным зарядовым числом Z, например, ₂₃⁵⁰V и ₂₄⁵⁰Cr, ₅¹¹B и ₄¹¹C и т.п.

Зеркальные ядра – это ядра, имеющие одинаковое число А. Зеркальные ядра переходили бы друг в друга при гипотетической замене нейтронов протонами, а протонов нейтронами (₃⁷Li и ₄⁷Be). Свойства зеркальных ядер близки: они имеют похожие спектры возбуждения с практически одинаковые энергии возбуждения, одинаковые значения спина и т.п.

Наличие в ядре протонов (частиц с электрическим зарядом одного знака) вследствие кулоновских сил отталкивания между ними должно было бы привести к разлёту нуклонов. В реальности этого не происходит. Существование в природе множества устойчивых ядер приводит к выводу о существовании между нуклонами ядра более мощных, чем кулоновы, ядерных сил притяжения, которые, преодолевая кулоновское отталкивание протонов, стягивают нуклоны в устойчивую структуру - ядро.

Действия ядерных сил в ядре:

Ядро удерживается в стабильном состоянии благодаря действию ядерных сил между нуклонами. Ядерные силы в ядре обладают следующими свойствами:

- короткодействие – расстояние, на котором они проявляются, менее 10^-13;

- ядерные силы являются силами притяжения и сильнее, чем электростатические силы отталкивания внутри ядра;

- ядерные силы не зависят от электрического заряда, т.е. они действуют одиноково на пары протон-протон или протон-нейтрон;

- ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. нуклон может взаимодействовать только с несколькими ближайшими нуклонами.