Тема 3. Физика атомного ядра

§ 10. Строение атомного ядра. Основные характеристики ядер.

Ядерная физика, занимающаяся изучением свойств и строения атомных ядер, является в настоящее время передним краем физической науки. Несмотря на то что данный раздел физики нельзя считать завершенным и в нем остается много нерешенных проблем, достижения в этой области огромны и используются в медицине, биологии, энергетике и т.д.

В предыдущей теме ядро рассматривается в целом – как массивная положительно заряженная центральная часть атома, обладающая исключительно малыми размерами (~10~¹³ см). Однако установлено, что ядро является сложным образованием. Оно состоит из частиц двух сортов: протонов (р) и нейтронов (n), называемых вместе нуклонами. Протон обладает положительным электрическим зарядом, численно равным заряду электрона. Масса т_р покоящегося протона в 1836 раз превышает массу т_е покоя электрона. Масса нейтрона лишь на Зт_е превышает т_p (т_п ~ 1839 т_е), при этом нейтроны не имеют электрического заряда. Обычно массу ядра измеряют в атомных единицах массы (а. е. м.). За 1 а. е. м. принята 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12: 1 а.е.м. = (1,66043 ± 0,00031) 10^–27 кг. Заряд ядра, а следовательно и порядковый номер элемента в периодической таблице определяется числом протонов (Z), входящих в состав ядра, потому Z называется зарядовым числом. Ядра всех атомов заряжены положительно. Z может быть найден по порядковому номеру соответствующего элемента в таблице Менделеева. Полное число нуклонов в ядре А = N + Z (где N – число нейтронов) называется массовым числом. А – это целое число, ближайшее к атомной массе атома.

Для обозначения ядер используется символическая запись: . X – химический символ данного элемента. Нижний индекс у элемента означает порядковый номер Z, верхний – массовое число А. Некоторые элементы имеют несколько разновидностей, которые отличаются массовым числом, а Z для них постоянно, они называются изотопы. Например, известны четыре изотопа водорода: ₁Н¹ – протий, ₁Н² – дейтерий, ₁Н³ – тритий, ₁Н⁴ – четырехнуклонный водород. Самый тяжелый из естественных элементов – уран – имеет три изотопа: ₉₂U²³³, ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³⁸.

Элементы, у которых одинаково массовое число А и различно Z называют изобарами. Примерами ядер-изобар могут служить ядра или ,

Радиус ядра. Первые представления о размере атомного ядра были получены в опытах Резерфорда. Считалось, что ядро соответствует шару с линейным размером порядка 10^–12 см. В настоящее время в ядерной физике за единицу длины принимают ферми (1 ферми=10^–13 см). В этих единицах имеем

R = (1,45 1,5) .

Спин ядра. Ядро характеризуют спином, который равен сумме спинов нуклонов. Спины протона и нейтрона одинаковы и, так же как у электрона, равны , где .

Спин ядра, состоящего из четного количества нуклонов, будет равен целому числу или нулю. Например, спин ядра изотопа водорода paвен , а ядра гелия – нулю. Ядро, состоящее из нечетного количества нуклонов, имеет спин, равный нечетному числу ½ . Например, спин ядра трития равен ½ , а ядра индия – 9 /2.

Магнитный момент ядра. Со спином ядра связан магнитный момент р_mя. Обычно его выражают в ядерных магнетонах _я: _я= .

Магнитный момент протона приближенно равен р_mр=2,79_я, а нейтрона р_mn = –1, 91_я. Знак “минус” означает, что магнитный момент нейтрона ориентирован противополоңно спину.